离散连续方法在ABAQUS中的实现及其在尺度效应中的应用

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随着微纳米科技的高速发展,微纳米器件、微颗粒和微纤维增强复合材料等微观材料的应用范围大幅增加。在微米尺度下,材料的塑性行为体现出显著的微尺度效应。传统的宏观模型并不包含尺度参数,在微米/亚微米特征尺度下不再适用。因此,需要发展新的本构模型和数值研究手段,对微尺度下材料塑性行为进行合理的模拟和评估,为微结构的设计提供一定的理论支持。离散位错动力学以离散位错线作为研究对象,直接通过模拟位错的运动和演化表征材料的塑性变形,是研究塑性变形内在机理和微尺度效应非常有效的方法。对于例如微柱压缩等非周期边界条件边值问题,单一的离散位错动力学模拟存在着自身的局限性。本文利用ABAQUS提供的用户自定义单元子程序,在ABAQUS内部实现了基于离散位错动力学的离散连续方法(DCM)。利用该算法,本文对镍单晶材料进行了微柱单调压缩和循环载荷下塑性行为的模拟,探究了微塑性行为尺度效应及其内在机理。本文基于离散连续方法,将位错引起的塑性应变作为特征应变引入到控制方程中,设计出一种具备计算离散位错动力学功能的自定义单元。在ABAQUS软件内部实现离散位错动力学和有限元两个模块的数据交换。对表面附近位错节点的塑性应变分布和位错芯附近的应力场进行修正,得到表界面附近更加精确的位错场解。运用自主开发的基于UEL的离散连续模型算法,对单调载荷下镍单晶材料的微柱压缩进行模拟。分析了应力-应变曲线以及位错密度的演化历程。对晶粒取向,初始位错密度以及模型特征长度等参数展开进一步研究,揭示了它们各自影响镍单晶微柱力学性能的机制。对循环载荷下镍单晶材料的拉伸压缩进行模拟。针对晶粒取向,初始位错密度以及模型特征长度等参数展开研究,揭示了它们对镍单晶循环塑性响应的影响。
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