基于林位错强化的晶体塑性模型的改进及其在晶体塑性有限元中的应用

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晶体塑性有限元方法将晶体塑性理论与有限元模拟相结合,在模拟材料塑性变形行为以及预测材料成形性能等方面有着广泛的应用。过去的模拟通常使用唯象模型来描述材料的变形行为,然而由于缺乏对微观物理本质的考虑,唯象模型无法体现材料的许多微观机制的影响,如晶界效应、尺寸效应等。而位错作为塑性变形的载体,以位错为核心机制的模型可以从微观角度理解材料变形的机制,具有明确的物理意义和良好的预测能力。其中,林位错强化模型根据非共面林位错之间的相互作用建立位错密度演化关系,物理意义清晰,数学形式简洁,具有广泛的应用。然而,林位错强化模型忽略了共面位错之间的相互作用,导致模型缺少抑制扰动的能力,常常出现异常的扭曲失稳现象。本文针对这一点,通过分析位错之间的相互作用强度,在林位错强化模型中引入共面位错的相互作用来改善模型的稳定性问题。  通过比较三种模型模拟单晶体沿多个方向拉伸的变形模式,以及冷轧铝板剪切带的形成特征,表明改进的模型具有更好的稳定性:对于单晶单滑移,改进前后的林位错强化模型的稳定性表现一致;但是对于单晶多滑移,缺乏自硬化的林位错强化模型出现了扭曲失稳,而引入自硬化的改进模型对于多滑移系的模拟符合真实情况,改善了模型的稳定性问题。对于冷轧铝板发生剪切变形时剪切带的形成特征,林位错强化模型的不稳定性放大了材料的失稳变形,模型的低稳定性和材料的变形失稳叠加,导致预测的结果失稳程度过高;而引入自硬化的改进模型更稳定,可以真实地反映材料本身的失稳。同时,通过引入自硬化作用,模型的稳定性得到了提高,对于材料参数的选择放宽,提高了模型的计算效率。
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