基于多晶体塑性模型的微镦粗过程数值模拟

论文摘要

电子、医疗、机械等领域对微型零部件的需求日益增长使得塑性成形技术向微型化的趋势发展。传统的塑性理论不能体现零件尺寸微细化后带来的影响。因此,为了模拟和优化微细塑性成形工艺,需要采用合适的细观组织的几何模型与细观尺度下的本构模型。由于三维Voronoi多面体和真实多晶体材料的细观结构具有一定的相似性,因此常被用来研究细观尺度下的微成形。本文建立了两种基于Voronoi图基本原理的模型:光滑模型和粗糙模型。光滑模型的晶界与Voronoi多面体重合。粗糙模型是通过对Voronoi图离散得到的,因此只是Voronoi图的近似,但是和光滑模型相比,有计算开销方面的优势。本文对包含32、128、512个晶粒的圆柱体坯料分别建立这两种模型,并采用晶体塑性理论模拟其微镦粗过程,然后从材料流动不均匀性、变形抗力、反极图演化等角度比较模拟结果。结果表明:晶体塑性理论能够反映材料变形的细观机制;材料细观组织的建模方式对模拟结果有重要的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微细塑性成形技术发展概况
• 1.2.1 微细塑性成形技术的定义和特点
• 1.2.2 微细塑性成形技术研究现状
• 1.2.3 微细塑性成形技术应用前景
• 1.3 微细塑性成形模拟概况
• 1.3.1 微尺度效应
• 1.3.2 微细塑性成形模拟技术概况
• 1.4 课题来源和本文主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 多晶体材料细观建模
• 2.1 基于Poisson‐Voronoi 图的多晶体模型
• 2.1.1 Poisson‐Voronoi多面体简介
• 2.1.2 Poisson‐Voronoi多面体的统计学性质
• 2.2 基于Voronoi 图的光滑模型在ABAQUS/CAE 的实现
• 2.2.1 Python语言简介
• 2.2.2 ABAQUS/CAE简介
• 2.2.3 ABAQUS/CAE与Python的关系
• 2.2.4 MATLAB环境下三维VORONOI图的实现
• 2.2.5 三维Voronoi图拓扑信息的提取
• 2.2.6 Python脚本的编写
• 2.3 基于Voronoi 图的粗糙模型在ABAQUS/CAE 的实现
• 2.4 本章小结
• 第三章 晶体塑性理论基础
• 3.1 晶体学基础
• 3.1.1 晶体结构与空间点阵
• 3.1.2 晶向和晶面的表示
• 3.1.3 晶体取向及其表示方法
• 3.2 金属塑性变形物理基础
• 3.2.1 单晶体的塑性变形
• 3.2.2 多晶体的塑性变形
• 3.3 晶体塑性本构模型
• 3.3.1 晶体变形运动学
• 3.3.2 晶体变形动力学
• 3.3.3 晶体硬化模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 微镦粗过程的晶体塑性有限元模拟
• 4.1 晶体塑性本构模型在ABAQUS 中的实现
• 4.1.1 UMAT简介
• 4.1.2 率相关晶体塑性本构方程的数值算法
• 4.1.3 求解过程中所采用的技巧
• 4.2 微镦粗过程的模拟
• 4.2.1 模拟方案
• 4.2.2 镦粗后坯料的外形
• 4.2.3 镦粗过程压力机载荷曲线
• 4.2.4 晶粒取向的演化
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录一 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附件