两类多晶平均场均匀化方案

(一)taylor均匀化方案

    Taylor均匀化模型在abaqus实现时,通常一个积分点包含多个晶粒,其中积分点响应由晶粒响应的体积平均响应给出,积分内的各个晶粒的变形梯度均等于宏观变形梯度。通过变形梯度计算各个晶粒的应力响应,晶粒彼此之间不存在应力平衡关系,但应变协调,计算得到各个晶粒的得到柯西应力,之后得到体平均柯西应力,更新积分点响应。以及整体的织构,使用该模型通常用于反应多晶聚集体整体的响应,以及织构演化分析。并且由于等应变假设,Taylor模型通常相较于有限元方法,整体的应力响应会更高,织构演化预测更加锋锐。但计算成本显著低于有限元离散。


以FCC轧制轧制模拟为例子(并行过程织构演化以及应力应变响应情况)

两类多晶平均场均匀化方案的图1


两类多晶平均场均匀化方案的图2

(二)粘塑性自洽方案(VPSC)

VPSC 全称 Visco Plastic Self Consistent,指的是特定的机械状态 (VP) 和使用的方法 (SC)。VPSC 是为应用于低对称材料(六边形、三角形、正交、三角形)而开发的,理论的基本出发点与前述的晶体塑性本构一致,不同的是在于处理晶粒之间相互作用时,不适用taylor等应变假设,而是将晶粒视为无限大基体的夹杂,基体的应力与应变响应等于各个晶粒的平均响应,满足应变协调,并通过制定晶粒之间相互作用方案(切线,仿射,割线……)满足晶粒与基体的应力平衡,特别适用于大规模成型过程中的取向演化分析,尤其是hcp对称性较差的结构,但无法考虑晶粒与晶粒之间以及晶粒内部的响应情况分析,往往用于定性分析滑移系统开动情况,孪晶演化,宏观应变硬化等。

同taylor模型一致,VPSC模型也可以与有限元求解器进行关联,边界条件通常包含两类方法(1,直接指定对应的应变分量,等效应变分量;2,通过有限元模拟获得经过特定变形条件的速度梯度场,导入VPSC作为边界条件分析,适用于如等通道转角挤压ecap类的复杂工况问题下的织构演化分析,可以使用显式求解器效率更高。这里以编写VUMAT进行三点弯曲模拟为例子)

两类多晶平均场均匀化方案的图3

值得注意的是当我们把单晶的本构模型与有限元求解器结合时,不同晶粒之间在有限元的意义上同时满足应力平衡和应变协调。随着计算器处理数据能力的提升,晶体塑性有限元方案CP-FEM逐渐替代了对应的均匀化方案,但在尺度跨越时,均匀化方案依然可以成为不同尺度下沟通的桥梁。

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