基于DEFORM三维多晶体材料微结构的有限元分析

１ Ｂ
图 ２ 三 维 多 晶体 网 格 划分 材 料 微 结构 （ 压 工 件 模 型 ） 挤
ｃ语言编译生成 ６种新材料 ， 为了使整个工件的材 料属性 差别 不 易过 大 ， 在编 译 材 料 属性 时 仅 对材 料
的杨 氏模 量进 行 少 量 的增 加 ， 别 命 名 为 Ｎ Ｗ —Ｉ 分 Ｅ （ ＝１— ） Ｉ ６ 。这 样 即可将 每个 晶粒 可视化 显现 出来 。 图 ２显 示 了含有 １０ ００个 晶粒 的三维 多 晶体 网格 划 分 材料微 结构 （ 压件 模 型 ） 挤 。
（ ） ５ 步温度分布 ａ第 Ｏ
（ ）节点温度随时间变化分布 ｂ
图 ３ 多晶体 材料挤压过程温度场分布
３ ２ 应 力分 析 ．
３ ３ 应 变 分 析 ．
通过对关键点等效应力变化进行跟踪 ， ４演 图 示了含有 １ｏ ０Ｏ个 晶粒 的三维多晶体材料微结构模 型算例及其等效应力分析结果。当工件开始与上下 模接触时， 图 ４ ａ 所示 ， 如 （） 挤压变形 内部 中心区节
挤压过程热力耦合仿真分析 ， 演示出了三维多晶体材料微结构 的温度场及等效应力 、 等效应变分布结果。 关键 词 ： Biblioteka Baidu维多晶体 ； 材料微结构 ； ｅ Ｋ ｙ文件 ； ｐ ｔ 件 Ｉ ｕ文 ｎ
中图分类号 ：Ｇ１ Ｔ ４
１ Ｄ Ｆ Ｒ 简介 ＥＯ Ｍ
ＤＦＲ ３ Ｅ Ｏ Ｍ一 Ｄ是一套基于工艺模拟系统 的有
材料受 到均 匀边 界条 件 的 作用 ， 介 质 内 的场 变 量 则
器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入 、 成形 条件 的输入 ， 立边 界条 件 ， 建 它还包 括有 限元 网
格 自动生 成器 ； 模拟 器是 集 弹 性 、 弹塑 性 、 （ ） 刚 粘 塑 性、 热传 导于一 体 的有 限元求 解器 ； 后处 理器是 将模 拟 结果 可视化 ， 持 Ｏ ｅＧ 支 ｐｎ Ｌ图形 模 式 ， 输 出用户 并
限元系 统 （ Ｅ ， 门设 计 用 于分 析 各种 金 属 成形 Ｆ Ｍ） 专 过程 中的三维 （Ｄ） ３ 流动 ， 提供极 有 价值 的工艺 分 析 数据 ， 有关成 形 过 程 中的 材 料 和温 度 流 动 。主要 及
包 括前处 理器 、 拟器 、 模 后处 理器 三大模 块 。前处理
与上模具产生接触应力 曲线起伏不大 ， 如图４ ｂ 为 （） 等效应力随计算 时间的变化 曲线 。各节点的应力急 剧上升 ， 而后在达到稳定状态呈缓慢增长趋势 ， 在整 个 挤压 过程 中 ， 节点 Ｐ １应力 曲线起 伏相 当大 。
乎趋近于零 ， 在工件挤压后塑性变形逐渐增大 ， 等效
积单元 ” 的细 观 力 学 响应 以及 材 料 性 能 。 “ 表 内 代 性体 积单元 ” 细观 应力 的体积 平均 响应程 度 必 须 的
与“ 代表性体积单元” 边界上所承受 的外加载荷程 度相一 致 一 引。
２ ２ 几何模 型 的建立 ．
挤 压 件 原 始 尺 寸 为： ００ ｍ Ｘ １０ ｍ × １０ｍ ００ ｍ
点Ｐ ２的应力 最 大 ， 件边部 节 点 Ｐ 工 ３在挤 压过 程 中
通过对关键点等效应变变化进行跟踪， ５演 图 示了含有 １０ ０ｏ个 晶粒的三维多晶体材料微结构模 型算例及其等效应变分析结果。如图 ５ ａ 所示 ， （） 在 整个挤压过程 中， 在工件边部及挤压变形 内部 中心 区呈现出较大的等效应 变， 表面 中心处和侧 面处应 变相对较小。图 ５ ｂ 为等效应变随计算 时间的变 （） 化 曲线 ， 以看出 ： 可 关键点等效应变首先增长缓慢几
所需的模 拟数据。Ｄ Ｆ Ｒ Ｅ Ｏ Ｍ允许 用户对其数据库 进行操作 ， 对系统设置进行修改 ， 以及定义 自己的材 料模 型 等¨ ， 图 １ 示 。 Ｊ如 所
是统计均匀场。值得指出的是 ， 应该根据材料实际 （ 或模拟） 的微观组织结构组成物的几何构造、 取向 分布与结构 ， 算材料微观组织结构 的“ 计 代表性体
工件表面中心节点 Ｐ ， ｌ及工件边部节点 Ｐ ３在挤压 过程 中 ， 与上模 具 产生接 触温度 曲线起伏 显著 ， 温度 急剧 下 降 ； 件在 与 空气 的 热 交换 过 程 中温 度 变化 工 缓慢 ，４的温 降 变 化不 太 明显 。中 心 处节 点 Ｐ Ｐ ２温 度略 有提 升 （ 是 因为塑性 功转 化为 热 的结 果 ） 这 。
为０ ７ ． 。坐标 系的建立为 ： 的负方 向为挤 压方 ｚ轴
图 １ 有 限元 分 析 流 程 图
向。
第１ ４期
何 凤 兰等 ： 于 Ｄ Ｆ Ｒ 三维 多 晶体材 料微 结构 的有 限元分 析 基 ＥＯ Ｍ
￣ａｅ ａ ｌｎ ｛
１ １
２ ３ 多晶体 材 料微 结构 的数 据准 备 ．
塑性应变也随之增大。在整个挤压过程 中， 工件边
何凤 兰， 李旭东 ， 国梁 王
（ 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 ， 兰 甘肃 兰州 ７ ０ ５ ） ３０ ０ 摘 要： 利用本课题组 自主开发 的计算机软件 Ａ ｔＲ Ｅ， ｕｏ Ｖ 实现 三维 多晶体材料微结构的几何建模 ， 网格划 分 ， 并将生
成 的 Ｉｐｔ ｎｕ 的文件通过脚本语 言 Ｐｔ ｎ ｙ ｏ 的编译 ， ｈ 实现在 Ｄ Ｆ Ｒ 中建立三维多 晶体微 结构的具体材料模 型 ， ＥＯ Ｍ 并进行
步长 为 ：． １。 由于 Ｄ Ｆ Ｒ 对 工 件 赋 予 不 同材 Ｏ ０Ｓ ＥＯ Ｍ
曝 ４
ｓ
料属性的限制 ， 在编译 的过程 中， 设置 ６ 材料属 种
性 。实 现对所 有 的单 元 赋材 料 属 性 ， 具体 是 将 同一 晶粒 对应 的多 个单 元 赋予 同一材 料属性 。而后 利 用
提取截面上的关键 点进行温度跟踪分析 ， 将各点 的 温度 随 时 问变 化作 曲线 ，演 示 了含 有 】０ ０ｏ个 晶 粒 的多 晶体 材 料 挤 压 过 程 中 温 度 分 布 ， 图 ３所 示 。 如 Ｐ 为多晶体材料商标名 的中心点 ，２为多晶体材 １ Ｐ 料 的 内部 中心 点 ，３为上 表 面 的侧 面 中点 ，４为侧 Ｐ Ｐ
面 的中心 点 。结 果 表 明 ， 件 各 部 位 关键 点 的温 度 工 随挤压 过程 时 间的增 加 均呈 现 下 降 的趋 势 ， 别 是 特
３ 三维多晶体材料微结构模拟结果及 分 析
３ １ 温 度场 分布 ．
为 更好地 反 映整 个挤 压过 程 中工件各部 位温 度
的变化规 律 ， 工 件 的 中心 和表 面 ， 在 沿工 件 长度方 向
利 用本 课 题 组 自主开 发 的计 算 机 软件 Ａ ． ｕ ｔＶ ， ｏ Ｅ 即可在 Ａ Ａ Ｕ 有限元软件 中， Ｒ ＢＱ Ｓ 建立材料微
结构的“ 代表性体积单元” Ｒ Ｅ 的几何模型 ， （Ｖ ） 并根
■ １ ■ ２
３
据几 何模 型 画 出有 限元 计算 网格， 单元 体数 目： １９３ ， ９７８ 结点 ：６０ ， ３０ ｏ 总模拟步数 为 １ｏ 模 拟时 间 ｏ，
２ Ｄ Ｆ Ｒ 前 处理 程 序 的二 次 开发 ＥＯ Ｍ
２ １ 材料 代表性 体积 单元 （ Ｖ ． Ｒ Ｅ）
材料微结构细观力学响应的数值计算建立在材 料微 观组织 结 构 的 “ 表性 体 积 单 元 ” Ｒ Ｅ 技 术 代 （Ｖ ） 上 。微 观组 织 结 构 的 “ 表性 体 积 单 元 ” 义 在 材 代 定 料的细观尺度上 。“ 代表性体 积单元 ” 其体积尺寸 是最小 的， 但体积单元内却包含 了足够多微观组织 结构组成物的几何信息、 晶体学取向信息、 分布信息 与相 场信息 ， 并能 在统计 学 意义 上 （ 统计 平 均 性 质 ） 代表材料微观组织结构 的基本特征 ， 代表性体 由“ 积单元 ” 成 的材 料 称 为 统 计 均 匀 材 料 ， 计 均 匀 组 统
５０ ｍ（ ０ ｒ 长度 × ａ 宽度 Ｘ 厚度） 其开始温度为 ９０ ， ， ０℃
上下模具温 度都为 ３０ ０ ℃。材料假定 是各相 同性 的， 挤压件和上下模之间采用剪切摩擦模型， 摩擦系
数是 ０ ３ ． 。工件的 自由表面与周围环境之间的等效 换热系数取为 １０ ２ ／ ｓ ｍ ｃ ， ８ ．Ｎ （ ・ ・ ） 工件与上下模 之间的接触传热系数取为 ５ ／ ｓ・ Ｃ ， Ｎ （ ｍ ・ ） 辐射率
第２卷 第 １ ５ ４期 ２０ Ｏ ９年 ７月
甘肃科 技
Ｇａ ｓ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ
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Ｊ／ ２ ０ ｕ． ０９
基 于 Ｄ Ｆ Ｍ 三 维 多晶体 Ｅ ＯＲ 材 料微 结构 的有 限元分 析