[发明专利]一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法

权利要求书

1.一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：根据增材制造材料“骨棒型”裂纹扩展试验件的尺寸建立平板件模型，并针对是否导入晶粒对模型进行分区，分别赋予各向同性与各向异性材料属性；所述“骨棒型”裂纹扩展试验件是指增材制造材料进行原位疲劳试验时所用到的试验件，以其尺寸为依据，基于圣维南原理建立平板件模型，相比完整的“骨棒型”裂纹扩展模型能够在保证结果准确性的前提下提高计算效率；所述针对是否导入晶粒对模型进行分区是指仅在模型中间裂纹扩展区域内进行微观组织建模，其余区域并不考虑微观组织影响，相比整个模型均导入晶粒，能够减小后续计算量；分别赋予材料属性是指为中间导入晶粒的区域赋予各向异性材料属性，而其余区域则赋予各向同性材料属性；

步骤(2)：针对步骤(1)建立的平板件模型进行网格划分，并针对中间导入晶粒区域进行局部网格单元加密；所述网格划分是指针对平板件模型为各边直接布种、分网，建立整体粗糙网格，其中单元类型为8节点六面体线性减缩积分单元C3D8R；所述网格单元加密是指针对中间导入晶粒区域，增加其各边种子点数量，建立局部精密网格，并在此区域周围设置单元过渡区，令单元大小由密向疏过渡，以保证该数值模拟方法对材料小裂纹扩展行为的求解精度；

步骤(3)：基于完成网格划分后的平板件模型，导出ABAQUS有限元软件中的INP文件，并利用MATLAB软件对增材制造材料晶体形貌及晶体取向进行表征，完成微观组织建模；所述导出ABAQUS有限元软件中INP文件是指提取其中网格单元节点的三维坐标以及各个单元8个节点分别对应的序号；所述利用MATLAB软件对增材制造材料晶体形貌进行表征是指以增材制造材料真实的晶粒尺寸、晶体形貌、材料织构信息为依据，在所需导入晶粒的区域内生成相应数量晶核点，并利用Voronoi算法对其网格单元进行分区，同一区域内的单元构成一个晶粒；所述利用MATLAB软件对增材制造材料晶体取向进行表征是指提取电子背散射衍射EBSD极图中各处位置坐标及其强度大小，并以此为依据，从随机生成的足够数量的晶体取向中筛选出符合条件的取向，并赋予给上述各个晶粒；所述完成微观组织建模是指运行MATLAB脚本程序，将得到的网格单元分区信息及晶体取向信息导入INP文件中，并以此更新所建立的基础模型；

步骤(4)：为步骤(3)中更新后的平板件模型预制裂纹，采用扩展有限元法模拟材料小裂纹扩展行为，并针对材料实际情况，确定FATIGUE断裂准则中各个相关参数值；所述更新后的平板件模型是指完成微观组织建模后的模型，包括中间区域内晶体形貌及晶体取向的表征；所述预制裂纹是指在使用FATIGUE断裂准则时需要在平板件模型插入一定长度的初始裂纹；

步骤(5)：基于ABAQUS有限元软件对增材制造材料小裂纹扩展行为进行模拟，获取裂纹扩展路径及裂纹扩展速率；所述获取裂纹扩展路径是指由ABAQUS软件场变量输出中的PHILSM、STATUSXFEM选项直接在可视化模块中显示；获取裂纹扩展速率是指基于模拟结果通过割线法得到的裂纹扩展速率da/dN与裂纹长度a的曲线关系。

2.根据权利要求1所述的一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(3)中对于材料晶体形貌的表征是以材料真实微观组织为依据，通过对INP数据文件中网格单元信息的提取，进一步编写MATLAB脚本程序，具体包括：

选用欧拉角法表示随机生成的足够数量的晶体取向，经过欧拉角φ、转动的XYZ样品坐标系在hkl晶体坐标系中可以表示为g，其表达式如下：

其中hkl晶体坐标系的三个晶轴由XYZ样品坐标系先绕Z轴旋转角，旋转后的坐标系再绕X轴旋转角，最后绕Z轴旋转角得到；则有，hkl晶体坐标系在XYZ样品坐标系中表示为g^-1，即晶体取向表示为g^-1；

对于XYZ样品坐标系中某一晶向在各个投影面内位置坐标的表示，以XOY平面为投影面为例，其位置坐标(x,y)表达式如下：

其中，α为该晶向与Z轴夹角，β为该晶向与X轴夹角，γ为该晶向与Y轴夹角；

根据中间导入晶粒区域所需的晶粒数筛选出符合材料EBSD极图各处位置及织构强度大小的晶体取向，并赋予给上述各个晶粒，完成晶体取向表征。

3.根据权利要求1所述的一种考虑微观组织的增材材料小裂纹扩展数值模拟方法，其特征在于：

所述步骤(3)中对于材料晶体取向的表征是以EBSD极图的材料织构为依据，通过编写MATLAB脚本程序，对随机取向进行筛选，进而获得符合各处位置坐标及强度大小的晶体取向。