多晶体材料宏-细观跨尺度力学性能分析

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—材料结构—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/服役行为预测技术。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CAE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ABAQUS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ProDesign结合C++、Python脚本编程实现在ABAQUS/CAE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Submode BC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AutoORI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。

目录

文摘

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论文说明：图表目录

声明

第1章 绪论

1.1材料微结构计算学

1.1.1基本概念与定义

1.1.2基本研究主线

1.2计算机模拟技术

1.2.1计算机模拟技术的发展

1.2.2数值模拟进入实用阶段

1.2.3有限元技术原理

1.2.4 CAE技术概述

1.3软件平台及软件开发语言

1.3.1有限元分析软件ABAQUS

1.3.2 Python脚本语言

1.3.3基于有限元软件ABAQUS的二次开发

1.4课题背景

1.5课题的目的、内容和意义

第2章多晶体材料力学实验仿真

2.1材料力学拉伸试验简介

2.2多晶体材料试样宏观力学实验仿真

2.3材料试样的宏观力学拉伸实验模拟结果

2.4本章小结：

第3章多晶体材料在细观尺度上的力学响应

3.1课题组自主开发软件ProDesign简介

3.1.1 Voronoi图的定义

3.1.2 ProDesign简介

3.2多晶体材料微结构的三维仿真

3.3镍基合金晶体塑性模型简介

3.4宏-细观跨尺度边界条件的继承

3.4.1 ABAQUS软件的INP文件

3.4.2 Submode_BC软件简介

3.4.3 Submode_BC软件原理

3.4.4 Submode_BC软件功能

3.5多晶体材料微结构在宏观力学试样中细观尺度上的力学响应

3.6对局部微观组织的定量表征

3.6.1“材料结构弱点”

3.6.2 Post_Crystal原理

3.6.3 Post_Crystal软件运行调试

3.7晶体学取向对多晶体材料微结构力学行为的影响

3.7.1设计开发软件AutoORI

3.7.2软件AutoORI调试及验证

3.7.3无夹杂物的多晶体微结构

3.7.4含椭球夹杂的多晶体材料微结构

3.8本章小结：

第4章多晶体材料宏观力学性能预测

4.1代表体积单元(Representative Volume Element,RVE)

4.2预测方法

4.3由单晶的材料性能预测多晶体材料的弹性模量

4.4由单晶的热膨胀系数预测多晶体材料的线膨胀系数

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢

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