[发明专利]一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法

说明书

本发明公开了一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，通过Voronoi tessellation方法建立与所研究材料具有相同或相近的平均晶粒尺寸的微观网格模型，并通过编译的python脚本给有限元模型对应边对应节点施加周期性边界条件，得到用于ABAQUS有限元计算的代表性体积单元。利用应变控制的疲劳实验以及疲劳蠕变实验数据，通过试错法首先确定未使用修正本构模型的材料参数，然后利用应力应变混合控制蠕变疲劳实验应力保载阶段的实验数据确定修正模型的材料参数，最终得到适用于混合控制蠕变疲劳载荷的晶体塑性本构模型，并用该模型模拟晶体材料在混合控制蠕变疲劳载荷下的变形。

技术领域

本发明涉及应力应变混合控制蠕变疲劳领域，尤其涉及一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法。

背景技术

在现代航空动力和超临界发电领域中，其关键高温核心部件承受着复杂的载荷条件，除了蠕变、疲劳以外，还有更加复杂的蠕变疲劳交互的载荷作用。通常，频繁开停车产生的温度变化使得这些部件处于应变控制的疲劳载荷中，而装备持续稳定运行过程中的恒定内压或者离心力，使高温部件承受恒应力控制的蠕变载荷作用。然而，目前绝大多数实验室对蠕变疲劳交互作用的研究仍然采用传统的应变控制的蠕变疲劳试验，很难反映上述高温部件真实复杂的运行工况。

ABAQUS作为强大的计算有限元计算软件，近几十年来被运用来解决众多工程问题、构建受力分析等，更是具有实时检测分析材料受载后复杂的变形响应的优势。其实ABAQUS允许用户自定义材料本构，以解决日趋复杂的工程问题，其中，基于FORTRAN语言的材料用户自定义子程序UMAT使得本构方程的构建在ABAQUS中得以灵活的运用。用户可以根据自己的需求在UMAT中编写自己需要的材料本构模型，从而更好的分析解决实际问题。

现有的针对于应力应变混合控制的有限元分析十分有限，而从微观层面出发，基于晶体塑性理论的分析更是一片空白。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，解决了在传统背应力演化方程的晶体塑性本构模型不能描述所研究材料在应力控制下的蠕变变形行为。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种利用晶体塑性模型模拟混合控制蠕变疲劳变形的方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立与待研究晶体材料相同或相似平均晶粒大小的ABAQUS代表性体积单元模型；

步骤S2、取相同材料的若干待研究晶体构成的试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率的应变控制疲劳试验和蠕变疲劳试验，获取应变控制的疲劳试验数据、应变控制的蠕变疲劳试验数据，再与应变控制疲劳试验相同的温度下对剩余试样开展应力控制的蠕变疲劳试验，获取混合控制的蠕变疲劳试验数据；

根据应变控制的疲劳试验数据，得到疲劳滞回曲线，根据应变控制的蠕变疲劳试验数据，得到应变控制的蠕变疲劳滞回曲线、应变保载阶段的应力松弛曲线，根据混合控制的蠕变疲劳试验数据，得到混合控制的蠕变疲劳滞回曲线以及应力保载阶段的蠕变曲线；

步骤S3、通过建立未修正的晶体塑性本构模型，利用应变控制的疲劳、蠕变疲劳载荷条件对ABAQUS代表性体积单元模型进行有限元计算从而得到模拟结果，并以试错法拟合疲劳滞回曲线、蠕变疲劳滞回曲线以及应变保载阶段的应力松弛曲线，得到未修正的晶体塑性本构模型的材料参数；

步骤S4、将背应力演化方程修正为适合混合控制蠕变疲劳载荷的扩展背应力演化方程，并写入未修正的晶体塑性本构模型，得到修正后的晶体塑性本构模型；

步骤S5、用修正后的晶体塑性本构模型对ABAQUS代表性体积单元进行有限元计算，获得所研究晶体材料在混合控制蠕变疲劳载荷下的模拟结果，包括修正后的蠕变疲劳滞回曲线以及修正后的应力保载阶段的蠕变曲线，进一步确定修正后的晶体塑性本构模型的材料参数，进而得到最终晶体塑性本构模型；