（材料加工工程专业论文）多晶体材料宏细观跨尺度力学性能分析.pdf

硕上学位论文 摘要 材料的宏观性能与细观性能相差甚远，已有的宏观理论在细观情况下通常不 再适用，为更好地理解多晶体材料的力学性能，需要进行宏观，细观跨尺度相结 合的研究，但如何将这两个尺度的现象联系起来，无论对哪一学科都还是难题。 本人导师李旭东教授在国内首次提出的“微观结构一材料结构一部件结构 发展 出“从大到小 与“从小到大”相衔接的“分层多尺度 数值计算手段，有效地 建立了以计算几何学、计算机仿真模拟、有限元数值计算为核心的应用研究框架， 构建了以“数字材料+ 数值材料+ 环境一体化 为特色的复合类材料服役性能朋艮役 行为预测技术。本文根据导师提出的研究方法手段，进行了实践性的研究软件工 具开发，和研究方法尝试。本文首先介绍导师李旭东教授国内首先提出的“材料 微结构计算学，其次说明c a e 技术已经成为整个材料科学研究的一部分，并发 挥着关键作用。所以对材料科学研究中的有限元分析有着重要的意义。最后来介 绍了本课题的涉及到的软件平台、软件开发语言以及课题中涉及到的文件格式等 做了相应介绍。本文从实验和计算机模拟等方面介绍了进行多晶体材料的宏观、 细观相结合研究的途径，并对多晶体材料宏观、细观相结合的跨尺度研究进行了着 重介绍。依托a b a q u s 有限元软件，对多晶体材料试样进行宏观的力学实验仿真， 然后利用课题组自主开发软件p r o d e s i g n 结合c + + 、p y t h o n 脚本编程实现在 a b a q u s c a e 环境下对多晶体材料微结构进行三维仿真，得到多晶体材料微结构 的几何模型，材料参数的赋予，模型网格划分，在此基础上自主开发软件 s u b m o d eb c 为微结构模型定义边界条件。结合本人自主开发系列软件程序实现 “从大到小，“部件构件材料结构微观结构 研究技术。这里通过开发单元插值 程序实现跨尺度为多晶体材料微结构定义边界条件，来模拟微观组织结构的服役 环境。针对多晶体材料微结构“材料结构弱点 ，利用自主开发软件a u t o o r j 来探 索其晶体学取向对多晶体材料的微观组织结构中“材料结构弱点 力学行为的影 响，以及对含夹杂物的多晶体材料微结构的力学行为的影响。第4 章中阐述了基 于有限元法的多晶体材料宏观力学性能预测，由己知单晶的材料参数结合有限元 法，对多晶体材料微结构进行拉伸或升温过程的模拟，从而得到多晶体材料微结 构的宏观力学响应，结合自主开发程序实现对其宏观材料力学性能的预测。 关键词：多晶体材料微结构；r v e ；a b a q u s ；p r o d e s i g n ； 多晶体材料宏一细观跨尺度力学性能分析 a b s t r a c t m a t e r i a lp r o p e r t i e sv e 巧d i f r e r e n ti ns c a l eo fm i c r o m a c r o ，m a c r o t h e o r yh a sb e e n g e n e r a l l yn ol o n g e ra p p l i c a b l ei nt h em e s o s c a l e i no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp o l y c 呵s t a l l i n em a t e r i a l sn e e dc r o s s s c a l es t u d y b u th o wt h e l i n kt w o1 e v e lp h e n o m e n o n ， a r es t i l ip r o b l e m s m ym e n t o rp r o 佗s s o rl i x u d o n gp u t f o n v a r d ，t h e “m i c r o s t r u 曲且r e - s t r u c t u r e - t h es t m c t u r eo fc o m p o n e m s ，f o rt h ef i r s tt i m e i nc h i n a ，a n dd e v e l o p e dt h e “f o r ml a 唱et os m a l l ”a n d “仔o ms m a l lt ol a 玛e ”t h e c o n v e 唱e n c eo f m u l t i s c a l e ”m e a n so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n a l y s i sm e t h o d ，t h e e n e c t i v ee s t a b l i s h m e n tt h ep u r p o s eo fc a l c u l a t i n gt h eg e o m e t r y c o m p u t e rs i m u l a t i o 玛 6 n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fa p p l i e dr e s e a r c ha tt h ec o r e 仔a m e w o r kt ob u i l da “d 培i t a i m a t e r i a l s + n u m e r i c a lm a t e r i a l s + e n v i r o n m e n t ”f o rt h ei n t e g r a t i o no f n u m e r i c a li n f o r m a t i o na st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o s i t em a t e r i a l si ns e r v i c e p e r f o r m a n c e s e r v i c eb e h a v i o rp r e d i c t i o n i nt h i sp a p e r b a s e do nm e n t o r ，sr e s e a r c h m e t h o d sa n dm e a n st oc a r d ro u tap r a c t i c a ls t u d ya n dd e v e l o p m e n ts o 俞w a r et 0 0 1 s ，a n d r e s e a r c hm e t h o d st ot 哪t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h et u t o rp r o f e s s o rl i x u d o n g p r o p o s et h e “m a t e r i a lm i c r o s t m c t u r ec o m p u t i n g ”，f o l l o w e db yc a et e c h n o l o g yt h a t h a sb e c o m ep a r to fs c i e m m cr e s e a r c ht h f o u g h o u tt h em a t e r i a l ，a n dp l a y sak e yr o l e t h e r e f o r e ，i nt h em a t e r i a ls c i e n c er e s e a r c hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sh a sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e n e x ti n t r o d u c e dt h es u b j e c tr e l a t e st ot h es o r w a r ep l a t f o r r 玛s o r w a r e p r o 黟a m m i n gl a n g u a g e sa n di s s u e si n v o l v e di ns u c hf i l ef o r m a t si n t r o d u c e da c c o r d i n g l y i nt h i s p a p e r ，e x p e f i m e n t a la n dc o m p u t e rm o d e l i n g 内rp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l s i n t r o d u c e dm a c r o m e s oc o m b i n a t i o no fr e s e a r c l a n dm a c r o p o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l s ，a c o m b i n a t i o no fm e s o s c a l es t u d yw a sc a r r i e do u tc r o s s - h i g h l i g h t i n g b a s e do n a b a q u ss o f t w a r e ，t h ep o l y c q s t a l l i n em a t e r i a ls a m p l em a c r o m e c h a n i c a ls i m u l a t i o 凡 a n dt h e nu s et h e i ro 、t e a ms o m a r ec o m b i n e d 谢t hp r 0 d e s i g np r o g r 锄m i n ga n d p y t h o ns c r i p t i n a b a q u s c a ee n v i r o n m e n ta c h i e v e t h em i c r o s t m c t u r eo f p 0 1 y c 巧s t a l l i n em a t e a l s 内rt h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o 玛i n v o l v em i c r o s t m c t u r eo f p o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l so ft h eg e o m e t r i cm o d e l ，m a t e r i a lp a r a m e t e r s 西v e nt h em o d e l m e s h ， o nt h eb a s i so fs e l o d e v e l o p e ds o r w a r ef o r t h em i c r o s 仃u c c u r em o d e l s u b m o d e b cd e f i n i t i o no fb o u n d a 呵c o n d i t i o n s c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e r l to f m yo w n s e r i e so fs o r w a r ep r o 伊a m st 0a c h i e v e “s m a l l e s t ”，“c o m p o n e n tp a r t s - s t m c t u r e m i c r o s t m c t u r e ，r e s e a r c ht e c h n i q u e s t h e s e i n t e 叩o l a t i o n sp r o c e s st l l r o u 曲t h e d e v e l o p m e n t o fm o d u l e s佑rt h er e a l i z a t i o no fc r o s s s c a l em i c r o s t m c t u r eo f 硕十学位论文 p o l y c r y s t a l l i n em a t 谢a l st h e d e f i n i t i o no fb o u n d a 叮 c o n d i t i o n st 0s i m u l a t et h e m i c r o s t m c t u r eo ft h es e r v i c ee n v i r o n m e n t f o rt h em i c r o s t r u c t u r eo fp 0 1 y c r y s t a l l i n e m a t e r i a l s m a t e r i a ls t m c t u r a lw e a k n e s s e s ，t h eu s eo fs e l f - d e v e l o p m e n to fs o r w a r e a u t o o r jt oe x p l o r e i t s c 巧s t a l l o g r 印h i c o r i e n t a t i o no ft h e p 0 1 y c r y s t a l l i n e m i c r o s t r uc t _ u r eo ft h em a t e r i a li n “m a t e r i a ls t r u c t u r ew e a k n e s s e s ”t h ei m p a c to ft h e m e c h a n i c a lb e h a v i o r ，a sw e l 重a sm u l t i c o n t a i n i n gi n c l u s i o n st h eo 唱a n i z a t i o n a is t m c t u r e o ft h em i c r o c r y s t a lm a t e r i a l sm e c h a n i c a lb e h a v i o r t h en e ) ( tc h a p t e r b a s e do nt h e 丘n “e e l e m e n tm e t h o d ，t h em a c r o m e c h a n i c a lp r o p e n i e so fp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l sp r e d i c t e d b vt h ek n o w nc o m b i n a t i o no fs i n g l e - c r y s t a lm a t e r i a lp a r a m e t e r so ft h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ， t h em i c r o s t r u c t u r eo fp 0 1 y c q s t a l l i n em a t e r i a l sf o r t h ep r o c e s so fs t r e t c h i n go r w a r m i n gu pt h es i m u l a t i o l l ，t h u sp o l y c r y s t a l l i n em a t e r i a l sh a sb e e nt h eo 略a n i z a t i o n a l s t m c t u r eo ft h em i c r o m a c r o m e c h a n i c a lr e s p o n s e ，c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p r o 路a mt oa c h i e v et h e i rm a c r o - m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r eo f p o l y c 眄s t a l l i n em a t e r i a l s ；r v e ；a b a q u s ；p r o d e s i g n v 多品体材料宏细观跨尺度力学r 能分析 插图索引 图1 1 材料在不同尺度上进行组装的示意图n1 图1 2a b a q u s 分析软件各个模块之间关系7 图1 3a b a q u s 脚本接口命令与a b a q u s c a e 1 2 图2 1 材料拉伸试样尺寸15 图2 2 材料力学万能实验机示意图1 6 图2 3 材料试样截面尺寸( 单位：m m ) ”1 7 图2 4a b a q u s c a e 建立材料试样的模型与设置的边界条件1 7 图2 5 材料试样拉伸方向应力分布云图1 8 图2 6 材料试样m i s e s 应力分布云图18 图2 7 材料试样拉伸方向应变分布云图1 8 图2 8 提取出的应变最大单元的m i s e s 应力，拉伸方向应力、应变1 9 图3 1 无夹杂物的多晶体材料微结构的几何模型2 1 图3 2 无夹杂物的多晶体材料微结构模型的有限元网格2 2 图3 3 含椭球型夹杂物的多晶体材料微结构的几何模型2 2 图3 4 含椭球型夹杂物的多晶体材料微结构模型的有限元网格2 2 图3 5 含椭球型夹杂物的多晶体材料微结构模型网格的剖面图2 3 图3 6 含椭球型夹杂物的多晶体材料微结构椭球模型的有限元网格2 3 图3 7a b a q u s 软件i n p 文件基本结构2 6 图3 8 三向距离坐标系2 8 图3 9s u b m o d eb c 程序流程图3 0 图3 1 0 无夹杂物多晶体材料微结构力学响应分析”3l 图3 1 1 含椭球型夹杂物的多晶体材料微结构的力学响应“3 2 图3 1 2 多晶体材料微结构中体积最小的晶粒”3 4 图3 1 3 以最小晶粒与其相邻晶粒3 4 图3 1 4 最小晶粒为中心制作“材料结构弱点 部位模型3 5 图3 1 5 椭球相邻的晶粒3 5 图3 1 6 椭球为中心制作的“材料结构弱点 部位模型3 6 图3 1 7a u t o o 程序设计流程图3 7 图3 。18 输入原始生成的姗文件名3 8 图3 1 9 输入替换类型，这里替换处指定晶粒外其他晶粒的晶体学取向3 8 图3 2 0 输入我们需要替换分析的次数3 8 图3 2 1 查看所有作业的分析情况3 8 图3 2 2 无夹杂多晶体材料微结构模型3 9 图3 2 3 替换五组取向的分析结果对比3 9 图3 2 4 椭球及其相邻晶粒4 0 图3 2 5 椭球为中心的“材料结构弱点部位模型一4 0 图3 2 6 替换五组取向的分析结果对比4 1 图4 1 程序设计流程图4 7 图4 2 多晶体材料微结构模型4 7 硕士学位论文 图4 3 模型网格划分4 8 图4 4 约束条件与加载设置4 8 图4 5 钛合金r v e 内m l s e s 应力分布云图4 8 图4 6 温度边界条件5 0 图4 7 在热膨胀方向的位移5l 附表索引 表l 宏观多晶体材料塑性数据1 6 表2 材料缺口处应力集中系数1 8 表3i n p 文件浮点数正确表示示例一2 5 表4 钛合金单晶刚度矩阵系数4 7 表5 单晶刚度矩阵系数与预测结果一4 9 表6 多晶体材料单晶膨胀系数与宏观预测线膨胀系数5 1 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 妈中 日期：维歹月秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：3 讳 导师签名孝慨 日期：川年彳月9 日 瞅“7 年6 其岬 1 1 材料微结构计算学 第1 章绪论 1 1 1 基本概念与定义 “材料微结构计算学 i 7 以材料科学、力学、材料物理学与计算科学为主耍依 据，以“数字材料”技术、“数值材料”技术与“虚拟现实”技术为手段，在材料 微观组织结构组成物的尺度上、从组成物角度，通过微结构组装，设计模型材料 微结构、预测材料性能、推演微结构失效行为，预报微结构形变演化并开发相关 的计算机软件，为材料“设计一制备一预测”技术的一体化衔接与整合，建立理 论基础、提供科学方法、发展交叉学科，形成一个以“数字材料十数值材料十技 术一体化”为特色的材料微结构计算学研究体系。 在本文中，多晶体材料微结构组成物系指晶粒实体、相构实体、界面实体、 缺陷实体。“微结构组装”特指在材料微观组织结构组成物的尺度上、以组成物为 “积木单元”，通过异质体复合、模块搭建、人工操纵组成物与微结构剪裁技术构 筑材料微观组织结构。图l1 演示了改变材料本构性能的目的；在宏观尺度上，通 过组合零件的组装结构从而达到改变工程部件的使用性能的目的；在细观尺度上， 通过组合微观组织结构组成物的结构从而达到改变材料的表现性能的目的。显然， 以微观组织结构组成物为研究对象，在组成物大小的尺度上，依据“微结构组装” 概念来研究材料行为是发展先进材料的科学途径之一。由于微观组织结构内不同 的组成物的尺度可能属于同一尺度，也可能属于不同的尺度，因此有可能存在着 多尺度现象，所以从尺度上看，微结构组装具有跨尺度性。 。麓l 。一恕糍。怒。 秒蕊鏊 * 书】r 十， ，xe 日m m o k c u l a r a b vmcr c s t c t ur a la s b l ys t 呲r a 【a m b i y 图11 材料在不同尺度上进行组装的示意图 创新米源于多学科与交叉性技术的整合。“材料微结构引算学”属于跨学科性 计算研究型学科，旨在研究学科基础性的、在理论与方法上带有普遍意义的，在 不同的工程问题中具有共性的科学问题。叫才料微结构计算学”主要从材料微结构 多品体材料宏细观跨尺度力学性能分析 几何意义上的结构、晶体学意义上的取向、拓扑学意义上的形貌三个方面展开研 究。采用的主要技术手段是数字材料技术、数值材料技术、虚拟现实技术。材料 微结构计算包含四条基本研究主线，分别是( 1 ) 材料微观组织结构设计；( 2 ) 材 料微结构虚拟失效分析；( 3 ) 材料微结构形变演化推演；( 4 ) 材料微结构形貌的 定量表征。从材料的尺度角度讲，这四条基本主线的研究被定义在材料微观组织 结构之组成物的大小尺度上，这一尺度意义将随着组成物尺度大小的不同而变更 界定。 “材料微结构计算学 就是从材料微观组织结构组成物的物性状况、几何状 况、取向状况入手研究基本科学问题及其规律、揭示材料微观组织结构中： 1 ) “组成物几何结构一组成物晶体学取向一材料性能”之间存在的固有的关 联性规律； 2 ) “组成物几何结构一组成物晶体学取向一微裂纹行为一材料损伤后性能 之间存在的固有的对应性规律； 3 ) “组成物几何结构一组成物晶体学取向一微结构形变一形变后性能 之间 的演变规律i l 】。 1 1 2 基本研究主线 “材料微结构计算学 具有四条基本研究主线，这四条基本研究主线均以材 料微观组织结构组成物为研究对象，建立在组成物大小的尺度上。 1 ) 在材料微结构设计这条主线上，前提：在已知的材料的基础上，对象：以 材料微观组织结构的组成物为研究对象，方法：通过选择不同的单晶性能、设计 不同的几何构造、制造不同的晶体学取向、布置不同的尺度范围，操纵微结构“组 合 ，目标：寻求未知的多性能、超性能、具有某种特定性能或性能优化的先进材 料。重点：揭示“微观组织结构组成物几何结构一微观组织结构组成物晶体学取 向一材料性能”之间的内在规律性这一基本科学问题。在这一设计思想的指导下， “材料微结构计算学 通过设计组成物几何结构、推演组成物性质、调整组成物 尺度这三种基本“实验 ，从组成物的物性、尺寸与形状、排列与分布、晶体学取 向、体积份额以及所构成的相结构角度来探索先进材料的实现途径。 2 ) 在材料微结构虚拟失效分析这条主线上，前提：在已知的或设计的材料微 结构基础上，对象：以材料微观组织结构的“虚弱性 为研究对象，方法：通过 研究微观组织结构组成物的单晶性能、几何构造、晶体学取向以及多尺度的复合 效应对“虚弱性 影响，目标：预测材料的服役性能、推演微结构的虚拟失效行 为。重点：揭示“微观组织结构组成物几何结构一微观组织结构组成物晶体学取 向微裂纹行为馓结构失效 之间固有的关联性这一基本科学问题。 3 ) 在材料微结构形变演化推演这条主线上，前提：在已知的或设计的材料微 2 硕士学位论文 结构基础上，对象：以微结构的形变演化为研究对象，方法：通过研究微结构组 成物的物性组合以及几何形态与晶体学取向随形变演化的发展规律，目标：预报 微结构形变后的材料性能、服役性能与虚拟失效行为。重点：揭示“微观组织结 构组成物几何结构一微观组织结构组成物晶体学取向一微结构形变之间的演变 规律这一基本科学问题。 4 ) 在材料微观组织结构定量表征这条主线上，前提：在已知的或设计的材料 微结构基础上，对象：以微观组织结构的形貌为研究对象，方法：通过定量描述 ，组成物的集群特性与空间位置关系的变化，表征和推演微观组织结构的形貌，目 标：揭示微观组织结构组成物的“体积份额一尺度大小一几何形状一空间分布一 微结构形貌 之间的相互关系。重点：揭示微观组织结构组成物的“体积份额一 尺度大小几何形状一空间分布一微结构形貌 之间的互动关系这一基本科学问 题【1 1 。 1 2 计算机模拟技术 1 2 1 计算机模拟技术的发展 以有限元方法为基础的计算机模拟技术是2 0 世纪技术发展的巨大成果，在工 程物理科学的各个分支领域都起着十分重要的作用。新材料、新工艺、新产品、 高要求、高精度、低成本的现代研究和制造模式要求深入了解和掌握材料成形机 理、过程变化，在计算机上实现过程显现，开拓科学的工艺和设计方法，实现最 优设计与制造。因此，计算机数值模拟技术以及以此为基础的优化设计方法研究 成为当今和今后国内外研究的热点。计算机模拟技术使研究手段走出从前的狭小 天地，进入全方位预测，力争一次成功的新阶段，从而实现有效的现代工程设计 和迅速的新产品开发。随着计算机模拟技术的不断完善发展，它将继网络技术和 数据库技术后成为2 1 世纪材料加工技术的又一技术支撑环蝌2 1 。 1 2 2 数值模拟进入实用阶段 用有限元法对塑性加工过程进行数值模拟己经有3 0 年的历史。然而，数值模 拟真正进入实用阶段并对生产设计产生指导作用，仅是近1 0 余年的事情。进入9 0 年代以来，计算机技术和计算机工业飞速发展，超大型的计算己经不再是难以克 服的困难，用有限元法对塑性加工过程进行数值模拟也取得了突飞猛进的发展。 在公开发表的大量成功算例中，复杂的板料成形和锻造过程屡见不鲜。许多企业， 特别是大型的汽车制造公司和飞机制造公司，都装备了有限元模拟软件，并将有 限几模拟规定为新产品开发的第一个步骤。人们关注的焦点己经不再是如何开发 有限元程序来完成塑性加工过程的数值模拟，而是怎样才能提高计算的精度，从 多晶体材料宏细观跨尺度力学性能分析 而使计算结果对设计和生产具有指导作用【3 l 。 作为一种基本的数值方法，有限元模拟的精度受到许多因索的影响。首先， 计算模型的建立，如对工件的离散化，所选用单元的特性和迭代的方法无疑都是 至关重要的。对材料性能的描述，如硬化曲线的确定，本构关系的确定及各向异 性的模型等，都对计算精度有着决定性的影响。另外，边界条件如工件和工具间 的摩擦和热交换，也都是很难准确测定而又对计算精度影响极大的因素。如果只 看到模拟技术的飞速发展而对存在的困难缺乏正确和全面的认识，无论使用多么 先进的软件，配置多么高速的计算机，仍然无法得到有意义的结果。 有限儿法模拟还存在精度问题，要研究有限元法模拟的精度问题，首先要讨 论影响计算结果的主要因素。影响计算结果的主要因素：离散化和单元模型；材 料性能的影响；边界条件的影响【4 】。 1 2 3 有限元技术原理 f e m 是一种以变分原理为基础的重要的数值分析方法。它是把连续的弹性体 划分成有限多个彼此只在有限个节点相联结的，有限大小的单元组合体来研究的； 也就是用一个具有有限个自由度的离散结构来代替原来的具有无限个自由度的连 续结构，每个小单元的力学特征的综合效果反映出结构的整体力学特性。以此作 为真实结构的近似力学模型，以后的数值计算就在这个离散结构上进行。有限元 分析过程由解决一系列问题的代数方程组成。 k u = q 其中： k ) 为整个结构的刚度矩阵 l _ y 厂1 t u 歹为结构单元节点未知位移量 q 为结构节点的等效载荷向量。 这些量是不确定的，依靠所需解决的问题对这些向量进行定量描述。 简言之，f e m 通过单元划分，在某种程度上模拟真实结构，并用数学关系对 研究对象结构诸方面性能( 如：载荷、几何形状、材料力学性能、边界和界面条 件) 进行描述。其描述的准确性依赖于单元细划的程度，常常基于实验数据。在 求解过程中，结构描述与固体力学理论的代数方程相结合，求出所需求解的应力 和位移嘲。 f e m 应用过程包括以下3 个主要部分：数据输入、运算和数据输出。在相应 的有限元分析软件中，称为前处理、运算、后处理。 4 硕士学位论文 f e m 求解必须提供下列己知条件：1 ) 节点数目，2 ) 各节点坐标，3 ) 单元数 量和形状，4 ) 材料的力学性能：弹性模量和泊松比，5 ) 边界条件，6 ) 外部节点 的载荷【6 。 1 2 4c a e 技术概述 c a e ( c o m p u t e r 础d e de n g i n e e r i n g ) 计算机辅工程，计算机技术与工程分析技 术相结合形成的新兴技术，是c a d c 舭c a m 一体化技术中重要的组成部分。c a e 最初应用于航空航天方面今天已经在各个行业广泛应用，为企业缩短设计周期、 增强市场应变能力，提供了强有力的技术手段。c a e ，准确的说是指工程设计中 的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与 寿命评估、运动动力学仿真【8 ，9 】。工程数值分析用来确定分析产品的性能、结构过 程优化设计用来在保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能 最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的强度设计是否可行，可靠性如何以及 使用寿命为多少；运动动力学仿真用来对由c a d 建模完成的虚拟样机进行运动学 仿真与动力学仿真。c a e 是从c a d 中分支出来的一门起步较晚的学科，目前从工 程化、实用化技术发展角度来看，c a e 的核心技术应为有限元技术与虚拟样机的 运动动力学仿真技术。 c a e 的理论基础有限元法( f e m ) 是r c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出，2 0 世纪5 0 年代逐步发展起来。经过6 0 多年的发展，有限元技术己趋于成熟，普遍为工程界 所接受，无论在功能、性能、使用上，都己经达到了工程实用水平。在功能上， 有限元软件的前处理器的调用c a d 中的几何模型，可便捷地实现网格划分及自动 划分，灵活地施加各类边界条件，定义材料特性，设置不同的计算工况，对特殊 问题实现用户子程序的调用等；求解器带有适合不同问题的求解算法( 线性方程 组、非线性方程组、特征值等) ；后处理器可给出所需的可视化的技术结果( 等 值线、等值面、云图、动画等) 。在性能上，可完成线性与非线性问题、静力与动 力问题、多种材料、各类边界条件、各类工程( 机械、电磁、土木等) 问题的求 解。在使用上，大多数有限元软件均带有良好的用户界面，方便的在线帮助，便 捷的操作使得计算分析的效率有了很大的提高。进入2 0 世纪9 0 年代以来，涌现 出了c a d c a e 集成化的产品，即在c a d 系统中带有c a e 的模块，这样只需较 少的操作即可完成有限元分析计算，如m s c s u a ln a s t r a n 、a n s y s 等。通常这 类集成化的c a e 软件自动化程度较高。但它的求解范围还不够广泛【1 0 l 。 5 多晶体材料宏细观跨尺度力学性能分析 1 3 软件平台及软件开发语言 1 3 1 有限元分析软件a b a q u s a b a q u s 被广泛地认为是功能最强的有限元软件，可以分析复杂的固体力学 结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题 9 1 。 a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的 分析和研究。a b a q u s 的系统及分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无 二的。由于a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得a b a q u s 被 各国的工业和研究中所广泛的采用。a b a q u s 产品在大量的高科技产品研究中都 发挥着巨大的作用。 a b a q u s 软件一直以崇尚技术、质量和可靠性而闻名并已经逐步成为被工程 界广泛接受的应用与整个设计过程的一个必备的过程。a b a q u s 无论对简单或复 杂的线性和非线性工程问题都提供了一套完整强大的有限元理论解决方案，对于 广泛领域中的结构，热和连接分析问题都能解决。a b a q u s 是一套功能强大的工 程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非 线性问题。a b a q u s 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各 种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高 分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地 质材料。作为通用的模拟工具，a b a q u s 除了能解决大量结构( 应力位移) 问题， 还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、 声学分析、岩土力学分析( 流体渗透应力耦合分析) 及压电介质分卡斤【1 1 1 。 a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂问 题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的 模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结 构的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，a b a q u s 能自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适参数，而且能连续调 节参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很 好的控制数值计算结梨1 1 】。 a b a q u s 有两个主求解器模块一a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 【l 2 1 ， a b a q u s 还包含一个全面支持求解器的图形用户界面，即人机交互前后处理模块 一a b a q u s c a e l l 2 j 。a b a q u s c a e 包含了a b a q u s 建模模块、交互式提交作业 和监控运算过程，以及结果评估等能力。a b a q u s 厂v i e w e r 是a b a q u s c a e 子模 块，他只包括其中的后处理功能，这些模块之间的关系如下图： 6 硕士学位论文 直接转 d u u b ，o c + 作业监控 化器 耋 摹 碴士 酋碎哇，夸l 。矗i i 第三方前处理卜萋 ”分析 萋a b a q u s ，s l a n d 第三方后处理 图1 2a b a q u s 分析软件各个模块之间关系 a b a q u s s t a n d a r d 是一套专门为高级分析而设计的通用产品化有限元程序。 它提供的虚拟分析工具广泛的适用于各种各样的问题。a b a q u s s t a n d a r d 提供了 大量的时域和频域分析的程序。这些程序分为两类：一类是通用分析( g e n e r a l a n a l v s i s ) ，其影响既可以是线性的，也可以是非线性的；另一类是线性摄动分析 ( “n e a rp e r n j r b a t i o n ) ，由在某些特定的基准状态基础上计算结构的响应给予一个 通用的可能是非线性的基态计算出线性响应。一次计算分析流程中可以包括多个 分析步骤和多个分析模型。 1 ) 材料库：a b a q u s s t a n d a r d 提供的材料本构关系模型有金属，静力学流体， 橡胶，塑料，异质体材料，可回弹可挤压的泡沫，混凝土，沙子，黏土和连接的 岩石，每一种材料表现出高度的非线性特征。提供了包括一般弹性，弹塑性材料 特性，可以模拟各向异性材料和各向同性材料，用户还可以通过用户子程序接口 定义材料。 2 ) 几何模型：可以模拟结构和连接介质。提供一维，二维和三维的实体单元 以及梁单元和壳单元。梁单元和壳单元是基于现代离散k i r c h h o 行或者剪切变形弯 曲理论所构成的非常有效的单元。壳单元提供了热传导和热应力分析功能，它能 够直接分析热载荷作用下的壳体结构。a b a q u s s t a n d a r d 是模块化程序，任何单 元的组合以及任何材料的模型都可以用于同一种分析中。 3 ) 运动学特征：a b a q u s s t a n d a r d 所有单元( 不包括一些特殊用途的单元) 均能够为任意大小的位移，旋转和应变提供准确的模拟。 4 ) 预设条件：边界条件包括预先设定的运动约束( 单点和多点约束) 和预先 设定的基础条件。载荷条件包括集中载荷，分布载荷和热载荷。在装配系统中， 7 多晶体材料宏一细观跨尺度力学性能分析 可以通过一种特殊的加载方法对螺栓或其他紧固载荷直接指定。可以在适当的位 置引入伴随力影响，如压力，离心力等，提供了多孔介质流体压力场，电势能和 其他的标量场的载荷和边界条件。可以给定温度，速度，应力和其他许多场的初 始条件。 5 ) 直接作用：提供了模拟物体之间相互作用的通用功能，包括有或无摩擦的 面一面接触。提供了完全藕合的热一力相互作用功能，如热和力可以进行转换， 解决表面间的热阻力可能取决于接触面之间的压力或截面间的力学分离。对于动 力学和振动分析；提供基于表面的相互作用功能来对结构和声波介质模型进行藕 合分析，还提供含多孔介质流体流动一应力藕合和热电藕合的相互作用。 6 ) 性能：a b a q u s s t a n d a r d 用高性能，并行，稀疏，多波前方程求解器的解 来解决方程对称和非对称系统，并自动根据问题的物理要求决定是否采用非对称 的方法。并行计算可被用于绝大多数的硬件平台，对于特性值问题 a b a q u s s t a n d a r d 采用对于大型模型很有效的l a n c z o s 特征值求解器。 a b a q u s s t a n d a r d 的分析程序可以以任意的方式混合，例如在一个一次计算模拟 中可以包括一个非线形静态分析，同时跟随一个非线形动态分析，静态分析的最 终计算结果是动态响应的初始条件。为了使用方便，用户可以将载荷力分成若干 个步骤加载。对于一个纯线性的分析，每一步在本质上都是一个加载事件。而对 于一个非线性分析，每一步都是典型的整个加载历的一个步骤。在每一步中每一 分析类型都有明确的规定线性分析可以对非线性基础状态做线性扰动。比如：一 个橡胶部件在一个非线性静态分