晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的影响

1、50甘肃科技第25卷第25卷第12期2009年6月甘肃科技Gansu Science and TechnoLVol. 25 No. 12Jun. 200950甘肃科技第25卷50甘肃科技第25卷晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的影响冯伟，李旭东，靳永强(兰州理工大学甘績省有色金属新材料省部共建国家重点实验室甘肃兰州730050)摘要:现代材料设计和超备,对材料性能的要求愈来愈高，对寿命估测准确程度的要求也日益严格。基于材料细 观尺度层次的性能预测并以此控制材料的宏观性能,是解决这一问題的一个有效途径。利用自主开发的材料微观 组织结构仿真软件Pn>D«ign构造出三维多晶体材

2、料微结构的代表性体积单元通过C语言、Python脚本混合编程 的方式实现对商业有限元软件ABAQUS前处理的二次开发使之用于多品体材料微结构几何模取的建立、材料属 性与晶粒取向的賦值、边界条件的定义以及有限元网格的划分，自主开发软件AutoORI对其生成的INP文件进行一 系列修改实现晶侬学取向的自动咎换从而預测其晶体学取向对其微结构力学行为的形响。关键词:材料傲观组织结构;晶体学取向;Python脚本语言；ABAQUS中图分类号:TG14 TP1950甘肃科技第25卷50甘肃科技第25卷从材料的细观尺度上看与材料微观组织结构 组成物密切相关的基本科学问题包括:多元多相带 来的非均质问题，异质

3、性导致的各类响应的非均匀 分布问题非均质与非均匀引起的各向异性问题与 几何效应问题等各向异性不仅包括了由于材 料组成物的不同取向所引起的各向异性行为、由于 材料组成物不规则的儿何形状所导致的各向异性行 为、由于材料组成物的非均匀分布所产生的各向异 性、而且也包含了微结构内由于细观应力场的不均 匀性所产生的各向异性。无论一个多元多相异质体 材料是否具备宏观意义上的各向同性性质，局部微 观组织结构必然呈现岀各向异性。本研究在建立材 料微观组织结构时，认为材料的局部各向异性是由 构成三维多品体材料微结构内晶粒的几何结构与晶 体学取向局部各向异性造成的，由于这些各向异性 的存在，导致材料微结构的力学性

4、能、细观应力场的 各向异性。在进行多晶体材料的性能设计与材料微 结构力学行为预测时不仅需要求得模型材料的平 均细观力学响应而且也需要求得当地微结构的局 部细观力学响应，这样就必须考虑多晶体内晶粒的 各向异性程度对其力学响应的影响。本研究的具体工作是利用材料微观组织结构仿 真软件ProDesign构造岀三维多晶体材料微结构, 结合C程序设计、Python脚本语育建立三维多 晶体材料微结构的有限元模型，在此基础上自主设 计与研发软件AutoORI,对商业有限元软件 ABAQUS/CAE生成的INP文件的进行后处理二次 开发，用于实现：(1) 三维多晶体材料微结构的有限元几何模型建立、网格划分及为模

5、型施加约束及载荷；(2) 对三维多晶体材料微结构賦不同的晶体学 取向，并做到自动提交分析,当出现多个分析作业 时,能够做到依次挨个自动提交分析。AutoORI软件是针对ABAQUS分析软件生成的 INP文件自主开发的后处理程序，其主要功能是:(1) 自动为多晶体做结构模型替换品体学取 向，实现多晶体微结构模型内晶体学取向的替换；(2) 产生一些列具有相同边界条件，几何结构, 材料属性的多晶体材料微结构模型；(3) 将产生的一系列多晶体材料微结构模型自 动提交到ABAQUS计算器，开始依次自动分析，并 保存结果。AutoORI软件最终生成一系列具有相同的边界 条件和几何结构的多晶体微结构模型这些

6、模型的 唯一区别是其内部聶体学取向是各异的，从而实现 分析结果的可比性。本文并不特别针对某种特定的材料，而是在方 法层面上解决材料微结构虚拟分析时晶体学取向对 微结构力学响应的影响。1 ABAQUS,Python 简介ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计 算分析软件之一，具有很好的模拟性能。它拥有大 最不同种类的单元模型、材料模型等还为用户 提供了大景的二次开发接口。因此可以借助 ABAQUS计算平台，实现用户自己的功能。Python是一种面向对象的程序设计语言. ABAQUS的脚本接口是Python语言的一个扩展，可 以利用ABAQUS脚本接口，绕过ABAQU/CAE GUI, 直接

7、对ABAQUS内核进行操作。可以用Python语 言编制ABAQUS脚本接口可以执行的程序”。 ABAQUS脚本接口即是一个基于对象（object）的程 序库。脚本接口中的每个只寸象都拥有相应的数据成 员（data）和函数，对象中的函数专门用来处理对象 中的数据成员。在Python中这些丙数被称为相应 对象的方法（method）,用来生成对象的方法被称为 构造函数（constructor） o2构造三维多晶体材料微结构模型 利用材料微观组织结构仿真软件ProDesign构 造岀三维多晶体材料微结构，结C程序设计、Python 脚本语言，实现三维多晶体材料微结构模型的建立 和有限元网格划分、模型

8、的边界条件设置。2.1材料微结构计算机仿真此种方法采用属于“数字材料'系列的计算机 软件ProDesign从几何角度构造多元多项异质体材 料的微结构。软件ProDesign以Voronoi算法为基 础，具有较强的对多晶体类材料与基于多晶体类的 多晶体材料的微结构进行仿真的功能。2.2多晶体材料徹结构模型的生成结合C程序设计、Pyrhon脚本语吉将ProDesign 生成的微结构几何数据导入ABAQUS实现三维微 结构模型生成和有限元网格划分及边界条件设置。 这里生成一个含629个晶粒的模型（如图1）,边界 条件为:三个面（A：正背面，B：右侧面,C：下底面） 上施加固定其法相的位移（如

9、图2 a），固定另一端 施加强制位移（如图2b）。如图1,2所示。图1多矗处材料的几何植型及网格划分图2模型的边界条件设3软件AutoORI的设计开发自主开发软件AutoORI对ABAQUS分析过程 产生的INP文件进行后处理再分析。3.1 ABAQUS分析产生的INP文件简介INP文件（扩展名为inp）是一种文本文件它 包含了对整个模型的完整描述，在前处理器和求解 器之间建立一个数据传递的桥梁O事实上很多情况下，使用INP文件不但可以更 方便的修改模型参数控制分析过程还可以完成一 些ABAQUS/CAE所不支持的功能。生成方法:在ABAQUS/CAE中，在Job模块中， 点击Job Mana

10、ger对话框中的Write Input,就会在默 认的工作目录下生成INP文件。3.2设计开发软件AutoORI软件通过上述力学响应计算生成我们需要的INP文 件，在INP文件中通过定义局部坐标系来定义材料 的各向异性我们想要得到各种不同的晶体学取向 下多晶体微结构的力学响应，就可以通过修改INP 文件中对应的局部坐标系来实现。因此这里针对 INP文件开发AutoORI软件。AutoORI软件核心穫块基木思路：在INP文件 中找到定义晶粒局部坐标的数据将其替换生成新 的INP文件并提交分析。AutoORI软件核心丙数设计流程，如图3所示。图3程序核心流程图注：0RI丈件为預先定义的保存A体学取

11、向的数毎文 件，这M的取向分布为随印分布。在程序的开始岀需要引入几个模块使程序能够 在ABAQUS/CAE环境下运行：（1） ABAQUS总模 块；（2） ABAQUS Job模块;（3）显示对话框模块。3.3软件AutoORI调试及验证在ABAQUS/CAE环境下通过接口 RunScript调 用自主开发AutoORI软件,弹岀如下界面，如图4 5所示。第12期冯 伟等:晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的彫响5180 4输入原始生成的INP文件名图5输入需要曾换分析的次数按照图4、5的提示依次输入参数，软件依次自 动提交分析作业，自动开始分析，当所有分析结束 后打开ABAQUS/CAE界

12、面下的Job Manager可得 岀图6。图6査所有作业的分析1W况我们提取上述分析的MISES应力云图,观察其Jobl RISES应力云图Job2 MISES fi力云图应力分布的变化，见图7。Job5力云BQS7五组分析结果MISES应力云图比较上面五组MISES应力分布云图为颜色标尺统 一的分布云图。从图7可以得到：1）多品体材料徵结构内部晶粒的晶体学取向 会导致多晶体材料微结构内部应力分布的不均匀。2）在相同的边界条件下改变多晶体材料微结 构内部晶体学取向，引起了多晶体内应力分布的不 同，即同一个晶粒在不同的晶体学取向下其平均应 力值会岀现不同03）在相同的边界条件下改变多品体材料微结

13、 构内布晶体学取向，引起其聂大的M1SES应力岀现 的位置不同。4）多晶体材料微结构不同的晶体学取向会导 致多晶体材料微结构内部最大的MISES应力不同。5）改变多晶体材料微结构内晶体学取向不会 导致整个微结构平均应力岀现较大的变化。通过以上分析可以看岀软件AutoORI的主要 功能可以实现此外本软件实现无人值守，自动提交 分析，自动依次衔接分析。本软件实现了与 ABAQUS软件的无缝对接,软件运行稳定可靠。4结论1）本文所提岀的对于ABAQUS系统的二次开 发利用了 ABAQUS脚本接口及Python语言，可以 有效实施对程序的控制和文件的管理。既充分利用 T ABAQUS提供的开发模块,深

14、入到ABAQUS系统 内部，实现了系统功能的要求,又利用了系统资源. 从而大大提高开发效率。2）在分析晶体学取向对材料多晶体微结构力 学行为的影响时.解决了繁琐重复的蹇模问题，实 现了材料微结构模型中局部坐标系的自动赋予或 可以根据用户的需求来定制赋予，为分析材料微结 构中晶体学取向对材料力学行为的影响奥定了基 础提供了手段。参考文献：1 李旭东材料结构的弱直I基本概念与科学问题J 材料研究学报（增刊），2007,21J6212 李旭东材料结构弱点D微裂纹虚拟扩展模拟J ）材 料研究学报（增刊）.2007,21:22293】任淮辉，李旭东,李俊琛三维多晶体材料微结构的力 学响应计算J 兰州理工

15、大学学报,2008,34 （1）:1- 54 庄茁，张帆，苓松等.ABAQUS非线性有限元分析与 实例"北京:科学岀版社,20055 Hibbitt, Karisson, Sorensen. ABAQUS Scripting Reference Manual Version 6.5 M6 WESL EYJ Chun. Core Python Programming M USA :Prentice HaU FTR t 2001.石亦平周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详W（M. 北京:机械工业出版社,2006.晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的影响作者：冯伟，李旭东，靳永强作者单位：兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室甘肃，兰州,730050刊名：甘肃科技英文干刊名：GANSU SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(勒：2009,25(12)参考文献(7条)1. 石亦平;周玉蓉 ABAQUS限元分析实例详解 20062. WESL EYJ ChurCore Python