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金属材料通过结晶形成,其在诸多工程领域中发挥着不可替代的作用。由于复杂结晶方式导致不同晶核控制生成的晶体有一定差异,故又称为多晶材料。多晶材料的复杂结晶方式也使其在微观尺度上呈现出较强的几何不规则性和复杂的变形机制,进而使得其宏观力学响应受到诸多因素如结晶几何形状、晶格方向和滑移系统等的影响。本文针对汽车制造业中应用最广泛的铁素体钢,对其多晶微观结构进行了几何建模和材料建模,并采用有限元方法对该微观结构在有限变形下的力学响应进行了模拟和分析。论文的主要工作如下:首先,考虑到基于本文工作将要在后续开展的多晶金属材料的均化研究,本文采用具备完善均化模块的FEAP对材料进行了有限元模拟和分析。通过FEAP的集成和开发方法,实现了St.Venant Kirchhoff晶体模型和晶体弹塑性模型用户子程序的二次开发和基于FEAP有限元分析平台的集成与创建,进一步构建出表征立方晶系和剪切滑移变形机制的材料响应模型。此外,还实现了基于FEAP的ParaView可视化文件输出的二次开发,解决了后处理操作时的堆栈溢出问题。其次,为了准确的构建出金属材料的多晶微观结构几何模型,本文先基于Voronoi图拓扑方法使用MATLAB模拟结晶过程,并在特定空间下织构出三维Voronoi多晶体几何模型,再通过ANSYS和ABAQUS完成几何建模及网格划分,最终通过转译inp文件在FEAP环境下构造出三维Voronoi多晶微观结构几何模型;实现了对其颗粒数和规则性的参数化控制,并提出一种新的统计方法以表征其几何模型的规则性。最后,进行了基于规则六面体单晶、多晶模型和不规则三维Voronoi多晶微观结构在Hill模型、St.Venant Kirchhoff晶体模型和晶体弹塑性模型下的有限元模拟分析。比较了三种材料模型用于多晶金属材料分析时的相通性和优劣性,通过有限元模拟得知,基于晶体弹塑性模型的有限元模拟对多晶体金属材料力学性质的描述最为准确。考察了Hill模型材料主轴方向和两种晶体模型晶格方向对多晶体模型在单轴拉伸下受力响应的影响。模拟结果显示:Hill模型材料主轴的变化对晶体材料力学响应的影响较低;相反,两种晶体模型晶格方向的变化对其影响较高,并得出了晶格方向与应力最大值的关系。此外,还考察了三种材料模型下,多晶微观结构几何模型的几何形状以及晶粒尺寸对其力学性质的影响;分析结果表明:在研究多晶金属力学性质时,不可忽略其微观结构形态等对材料性质的影响。