多晶塑性有限元模拟方法及装置

技术领域

本申请涉及材料性能表征技术领域，特别涉及一种多晶塑性有限元模拟方法及装置。

背景技术

晶体塑性有限元模拟是研究晶体材料损伤和滑移行为的有效手段，尤其是在晶体材料裂纹萌生、扩展行为探究等方面具有较好的前景。

相关技术中，目前针对多晶体材料损伤和滑移行为的有限元研究主要是宏观研究方法，宏观研究方法通过宏观建模获得有限元模型，并通过有限元分析软件，进一步优化宏观建模方法，将所建立的有限元模型通过分割等手段划分为多个部分，再为每个部分单独赋予晶体属性，使得模型包含更多的晶体信息，给定载荷和接触、设置分析步等步骤进行有限元分析，提高有限元分析结果的准确性。

然而，相关技术中，当前的晶体塑性本构模型较少考虑循环载荷的背应力影响，使得难以描述疲劳等循环加载下的材料力学行为，且许多金属和合金是多晶体，因此导致单晶有限元模型不再适用，需发展考虑多晶体的有限元模型，此外，当前多晶体建模方法未考虑晶界的损伤效应，因而不能够模拟出晶界裂纹萌生和扩展行为，亟待改善。

发明内容

本申请提供一种多晶塑性有限元模拟方法及装置，以解决相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性等问题。

本申请第一方面实施例提供一种多晶塑性有限元模拟方法，包括以下步骤：获取原始的晶粒晶向数据，并根据所述晶粒晶向数据生成多晶体模型，以利用所述多晶体模型得到原始的文件；将所述文件导入第一预设脚本中运行，以对多晶体模型中的各晶粒进行编号，并赋予所述各晶粒实际晶体取向，根据所述编号和所述实际晶体取向生成第一文件；将所述第一文件导入预设程序中，并将所述预设程序插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，以得到具有模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型，根据所述内聚力晶界单元的多晶体模型得到第二文件；将所述第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，得到完整的多晶体模型；将所述完整的多晶体模型导入有限元软件中，生成含所述内聚力晶界单元和网格的多晶塑性有限元模型；将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将所述多晶塑性有限元模型导入所述有限元软件，以调用所述晶体塑性子程序计算所述多晶塑性有限元模型中的至少一项力学行为；以及基于所述至少一项力学行为，将所述多晶塑性有限元模型与所述晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算所述完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，根据所述裂纹晶体塑性得到裂纹萌生、扩展后的应力和损伤变量中的至少一项结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，在将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将所述多晶塑性有限元模型导入所述有限元软件之前，还包括：为所述多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件；根据所述约束条件得到所述多晶体模型的cae文件。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述获取原始的晶粒晶向数据，并根据所述晶粒晶向数据生成多晶体模型，包括：对金属易损伤区域进行全局的电子背散射衍射EBSD扫描拍摄，得到所述原始的晶粒晶向数据；将所述原始的晶粒晶向数据导入Dream3D中，得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息的所述多晶体模型。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述多晶塑性有限元模型与实际多晶试件形状相同，且所述多晶塑性有限元模型包含所述各晶粒晶向、各晶粒晶界、所述各晶粒尺寸和所述各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息。

可选地，在本申请的一个实施例中，在为所述多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件之前，还包括：采用最大名义应力准则定义内聚力晶界单元损伤的起始准则，当内聚力区域裂纹尖端的应力小于损伤起始临界值时，所述内聚力晶界单元处于线弹性变形阶段，当法向牵引力增大时，所述内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至所述内聚力晶界单元完全损伤。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述当法向牵引力增大时，所述内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至所述内聚力晶界单元完全损伤，包括：引入损伤变量以表征所述内聚力晶界单元材料退化的变化，当所述损伤变量为0时，所述内聚力晶界单元未产生损伤，当内聚力晶界单元受到外载荷的作用，裂纹尖端累积损伤时，损伤变量值不断增大，直至所述损伤变量值为1时，所述内聚力晶界单元完全失效。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述背应力的计算公式为：

其中，ζ

本申请第二方面实施例提供一种多晶塑性有限元模拟装置，包括：获取模块，用于获取原始的晶粒晶向数据，并根据所述晶粒晶向数据生成多晶体模型，以利用所述多晶体模型得到原始的文件；第一生成模块，用于将所述文件导入第一预设脚本中运行，以对多晶体模型中的各晶粒进行编号，并赋予所述各晶粒实际晶体取向，根据所述编号和所述实际晶体取向生成第一文件；导入模块，用于将所述第一文件导入预设程序中，并将所述预设程序插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，以得到具有模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型，根据所述内聚力晶界单元的多晶体模型得到第二文件；删除模块，用于将所述第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，得到完整的多晶体模型；第二生成模块，用于将所述完整的多晶体模型导入有限元软件中，生成含所述内聚力晶界单元和网格的多晶塑性有限元模型；计算模块，用于将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将所述多晶塑性有限元模型导入所述有限元软件，以调用所述晶体塑性子程序计算所述多晶塑性有限元模型中的至少一项力学行为；以及模拟模块，用于基于所述至少一项力学行为，将所述多晶塑性有限元模型与所述晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算所述完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，根据所述裂纹晶体塑性得到裂纹萌生、扩展后的应力和损伤变量中的至少一项结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：设置模块，用于在将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将所述多晶塑性有限元模型导入所述有限元软件之前，为所述多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件；第三生成模块，用于根据所述约束条件得到所述多晶体模型的cae文件。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述获取模块包括：扫描单元，用于对金属易损伤区域进行全局的电子背散射衍射EBSD扫描拍摄，得到所述原始的晶粒晶向数据；获取单元，用于将所述原始的晶粒晶向数据导入Dream3D中，得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息的所述多晶体模型。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述多晶塑性有限元模型与实际多晶试件形状相同，且所述多晶塑性有限元模型包含所述各晶粒晶向、各晶粒晶界、所述各晶粒尺寸和所述各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息。

可选地，在本申请的一个实施例中，还包括：定义模块，用于在为所述多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件之前，采用最大名义应力准则定义内聚力晶界单元损伤的起始准则，当内聚力区域裂纹尖端的应力小于损伤起始临界值时，所述内聚力晶界单元处于线弹性变形阶段，当法向牵引力增大时，所述内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至所述内聚力晶界单元完全损伤。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述定义模块包括：定义单元，用于引入损伤变量以表征所述内聚力晶界单元材料退化的变化，当所述损伤变量为0时，所述内聚力晶界单元未产生损伤，当内聚力晶界单元受到外载荷的作用，裂纹尖端累积损伤时，损伤变量值不断增大，直至所述损伤变量值为1时，所述内聚力晶界单元完全失效。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述背应力的计算公式为：

其中，ζ

本申请第三方面实施例提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现如上述实施例所述的多晶塑性有限元模拟方法。

本申请第四方面实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的多晶塑性有限元模拟方法。

本申请实施例可以引入内聚力晶界单元和背应力演化，并编写相应的计算程序，以计算模拟多晶塑性有限元模型，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，从而保证有限元模拟的精确性和可靠性，保证多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确，更好模拟实际拉伸、疲劳、微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响。由此，解决了相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性等问题。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种多晶塑性有限元模拟方法的流程图；

图2为根据本申请一个实施例的多晶塑性有限元模拟方法的含内聚力单元的多晶体模型示意图；

图3为根据本申请一个实施例的多晶塑性有限元模拟方法的裂纹扩展阶段的应力云图；

图4为根据本申请一个实施例的多晶塑性有限元模拟方法的裂纹扩展阶段的损伤变量图；

图5为根据本申请一个实施例的多晶塑性有限元模拟方法的流程图；

图6为根据本申请实施例提供的一种多晶塑性有限元模拟装置的结构示意图；

图7为根据本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

下面参考附图描述本申请实施例的多晶塑性有限元模拟方法及装置。针对上述背景技术中提到的相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性的问题，本申请提供了一种多晶塑性有限元模拟方法，在该方法中，可以引入内聚力晶界单元和背应力演化，并编写相应的计算程序，以计算模拟多晶塑性有限元模型，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，从而保证有限元模拟的精确性和可靠性，保证多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确，更好模拟实际拉伸、疲劳、微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响由此，解决了相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性等问题。

具体而言，图1为本申请实施例所提供的一种多晶塑性有限元模拟方法的流程示意图。

如图1所示，该多晶塑性有限元模拟方法包括以下步骤：

在步骤S101中，获取原始的晶粒晶向数据，并根据晶粒晶向数据生成多晶体模型，以利用多晶体模型得到原始的文件。

可以理解的是，本申请实施例中的多晶体模型可以根据原始的晶粒晶向数据建立。

在实际执行过程中，本申请实施例可以获取原始的晶粒晶向ctf数据，以原始的晶粒晶向ctf数据为基础，可以建立与实际试件形状一致的多晶体模型，利用多晶体模型得到原始的inp文件，保证有限元模拟的精确性和可靠性。

可选地，在本申请的一个实施例中，获取原始的晶粒晶向数据，并根据晶粒晶向数据生成多晶体模型，包括：对金属易损伤区域进行全局的电子背散射衍射EBSD扫描拍摄，得到原始的晶粒晶向数据；将原始的晶粒晶向数据导入Dream3D中，得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息的多晶体模型。

在实际执行过程中，本申请实施例可以首先对金属易损伤区域进行全局的EBSD(Electron Backscatter Diffraction，电子背散射衍射)扫描拍摄，得到原始的晶粒晶向ctf数据，从而为后续建立与实际试件形状一致的多晶体模型提供支撑；本申请实施例可以制得Dream3D自编脚本，将原始的晶粒晶向ctf数据导入Dream3D软件中，得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌等晶体学信息的多晶体模型，从而为得到原始的inp文件提供支撑。

本申请实施例可以得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌等详细的晶体学信息的多晶体模型，进一步地保证有限元模拟的精确性和可靠性。

在步骤S102中，将文件导入第一预设脚本中运行，以对多晶体模型中的各晶粒进行编号，并赋予各晶粒实际晶体取向，根据编号和实际晶体取向生成第一文件。

可以理解的是，本申请实施例中的第一预设脚本可以为自编的Matlab脚本1，第一文件可以为第一次处理的inp文件。

在实际执行过程中，本申请实施例可以将文件导入第一预设脚本中运行，即本申请实施例可以将原始的inp文件导入自编的Matlab脚本1中运行，以对多晶体模型中的各晶粒进行编号，并赋予各晶粒实际晶体取向，根据编号和实际晶体取向生成第一文件，即生成第一次处理的inp文件。

本申请实施例可以将文件导入第一预设脚本中运行，从而使inp文件更加完整，既包含赋予晶粒物理属性又包括对多晶体模型中的各晶粒进行编号等。

需要说明的是，第一预设脚本可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。

在步骤S103中，将第一文件导入预设程序中，并将预设程序插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，以得到具有模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型，根据内聚力晶界单元的多晶体模型得到第二文件。

可以理解的是，本申请实施例中的预设程序可以为自编的Python程序，第二文件可以为第二次处理的inp文件。

在实际执行过程中，本申请实施例可以将第一文件导入预设程序中，并将预设程序插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，即本申请实施例可以将第一次处理后的inp文件导入自编的Python文件，运行程序自动插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，以得到具有模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型，根据内聚力晶界单元的多晶体模型得到第二文件，即得到第二次处理的inp文件。

本申请实施例可以在多晶体有限元模型中自动识别晶界、在晶界部位插入内聚力晶界损伤单元，因为有模拟晶界的内聚力单元存在，从而可以模拟晶界损伤，并模拟晶界部位的裂纹萌生和扩展。

需要说明的是，预设程序可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。

在步骤S104中，将第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，得到完整的多晶体模型。

可以理解的是，本申请实施例中的第二预设脚本可以为自编的Matlab脚本2。

在实际执行过程中，本申请实施例可以将第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，即本申请实施例可以将第二次处理后的inp文件导入自编的Matlab脚本2进行运行，对多余的网格、模型等元素进行删除，得到完整处理的多晶体模型inp文件。

由于Python处理后的inp文件是可能存在有多插入的内聚力晶界单元，所以本申请实施例可以将第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，确保inp文件的完整及准确性。

需要说明的是，第二预设脚本可以由本领域技术人员根据实际情况进行设置，在此不作具体限制。

在步骤S105中，将完整的多晶体模型导入有限元软件中，生成含内聚力晶界单元和网格的多晶塑性有限元模型。

作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以将完整的多晶体模型inp文件导入ABAQUS中，生成含内聚力晶界单元和网格的多晶塑性有限元模型，使得本申请所计算的有限元结果更加精确可靠，同时本申请中的技术适用于各种多晶金属材料。

可选地，在本申请的一个实施例中，在为多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件之前，还包括：采用最大名义应力准则定义内聚力晶界单元损伤的起始准则，当内聚力区域裂纹尖端的应力小于损伤起始临界值时，内聚力晶界单元处于线弹性变形阶段，当法向牵引力增大时，内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至内聚力晶界单元完全损伤。

在实际执行过程中，本申请实施例中的内聚力晶界单元损伤的相关参数如下：采用的损伤起始准则为最大名义应力准则，当内聚力区域裂纹尖端的应力小于损伤起始临界值时，内聚力晶界单元处于线弹性变形阶段，当法向牵引力增大时，内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至内聚力晶界单元完全损伤。本申请实施例通过引入内聚力晶界单元，使得模拟的裂纹扩展路径更贴近实际，提高了多晶体裂纹模拟的准确性。

可选地，在本申请的一个实施例中，当法向牵引力增大时，内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至内聚力晶界单元完全损伤，包括：引入损伤变量以表征内聚力晶界单元材料退化的变化，当损伤变量为0时，内聚力晶界单元未产生损伤，当内聚力晶界单元受到外载荷的作用，裂纹尖端累积损伤时，损伤变量值不断增大，直至损伤变量值为1时，内聚力晶界单元完全失效。

在实际执行过程中，为表征内聚力晶界单元材料退化的变化规律，本申请实施例可以引入损伤变量，当损伤变量为0时，表示内聚力晶界单元未产生损伤，随着内聚力晶界单元不断受到外载荷的作用，裂纹尖端逐渐累积损伤，损伤变量值不断增大，直到损伤变量值为1时，内聚力晶界单元完全失效，裂纹继续向前扩展。

本申请实施例可以通过引入损伤变量表征内聚力晶界单元材料退化的变化规律，进一步提高多晶体裂纹模拟的准确性。

可选地，在本申请的一个实施例中，在将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将多晶塑性有限元模型导入有限元软件之前，还包括：为多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件；根据约束条件得到多晶体模型的cae文件。

作为一种可能实现的方式，本申请实施例可以为实际金属材料试件多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步等约束条件，根据约束条件最终获得多晶体模型的cae文件，从而保证本申请适用于各种多晶金属材料。

可选地，在本申请的一个实施例中，多晶塑性有限元模型与实际多晶试件形状相同，且多晶塑性有限元模型包含各晶粒晶向、各晶粒晶界、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息。

在实际执行过程中，本申请实施例中的多晶塑性有限元模型与实际多晶试件形状相同，且多晶塑性有限元模型包含各晶粒晶向、各晶粒晶界、各晶粒尺寸和各晶粒形貌等晶体学信息，如图2所示，其中，多晶塑性有限元模型包括实际金属结构的晶向、晶粒尺寸等详细的晶体信息，保证本申请计算的有限元结果更加精确可靠，同时保证本申请适用于各种多晶金属材料。

在步骤S106中，将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将多晶塑性有限元模型导入有限元软件，以调用晶体塑性子程序计算多晶塑性有限元模型中的至少一项力学行为。

在实际执行过程中，本申请实施例可以将考虑背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，即编写为Fortran子程序，并将多晶塑性有限元模型导入有限元软件，以将包含实际晶体取向及晶粒大小的含内聚力晶界单元的多晶体模型导入ABAQUS并调用UMAT子程序进行计算，以调用晶体塑性子程序计算多晶塑性有限元模型中的拉伸、压缩、疲劳和微动疲劳等力学行为。

本申请实施例可以在晶体塑性本构模型中引入背应力演化方程，并将其编入Fortran语言编写的UMAT材料子程序(User-material Subroutine,UMAT)，使得本申请能够模拟晶体材料在循环加载下的力学行为，在循环载荷下计算出更加精确的力学响应，使得多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确，实现了对多晶金属材料拉伸、疲劳、微动疲劳等过程裂纹萌生、扩展的多晶塑性有限元模拟，能够更好模拟实际拉伸、疲劳和微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响。

可选地，在本申请的一个实施例中，背应力的计算公式为：

其中，ζ

具体而言，本申请实施例中晶体塑性本构关系中的主要部分为对塑性行为的晶体学描述，本方案部分背应力演化行为的晶体学描述如下：

背应力的计算公式为：

其中，ζ

其中，

其中，

本申请实施例根据计算公式，可以精确的得到背应力，便于对背应力演化行为的晶体学进行描述，进而保证多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确。

在步骤S107中，基于至少一项力学行为，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，根据裂纹晶体塑性得到裂纹萌生、扩展后的应力和损伤变量中的至少一项结果。

在实际执行过程中，本申请实施例可以基于至少一项力学行为，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，即本申请实施例可以将ABAQUS有限元模型与上述建立的Fortran子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，根据裂纹晶体塑性得到裂纹萌生、扩展后的应力(图三)和损伤变量(图四)等结果。

本申请实施例可以使用ABAQUS进行结果的可视化分析，结果可以展示出应力、损伤变量等的危险位置，为多晶体的裂纹萌生和扩展提供有效依据，从而研究晶向、晶界、晶粒几何形貌等微结构对多晶体合金断裂行为的影响。

具体地，可以结合图5所示，以一个具体实施例对本申请实施例中的多晶塑性有限元模拟方法的工作原理进行详细阐述。

如图5所示，本申请实施例可以包括以下步骤：

步骤S501：方法一：使用EBSD拍摄多晶体获得晶粒晶向数据，在Dream3D中导入EBSD数据获得多晶体模型。

其中，本申请实施例可以对金属易损伤区域进行全局的EBSD扫描拍摄，获得原始的晶粒晶向ctf数据，制得Dream3D自编脚本，并将第一步拍摄获得的ctf文件导入Dream3D软件，获得包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸、各晶粒形貌等晶体学信息的实际多晶体模型。

步骤S502：方法二：使用Dream3D生成模拟多晶体模型。

其中，本申请实施例中的第二个方法是使用Dream3D生成模拟多晶体模型，保证模拟的精确性和可靠性。

步骤S503：在Matlab中为多晶体模型的每个晶粒赋予属性。

其中，本申请实施例可以将原始的inp文件导入自编的Matlab脚本1中运行，可以对生成的晶体模型中各晶粒进行编号，并赋予各晶粒实际的晶体取向。

步骤S504：编写Python程序插入模拟晶界的内聚力单元。

其中，本申请实施例可以将第一次处理后的inp文件导入自编的Python文件，运行程序自动插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，获得包含模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型。

步骤S505：删除多余单元模型并生成含内聚力单元的多晶模型。

其中，本申请实施例可以将第二次处理后的inp文件导入自编的Matlab脚本2进行运行，对多余的网格、模型等元素进行删除，生成含内聚力单元的多晶模型。

步骤S506：编写UMAT晶体塑性子程序。

其中，本申请实施例可以编写UMAT晶体塑性子程序，为后续调用UMAT子程序计算提供支撑。

步骤S507：将模型导入ABAQUS并调用UMAT子程序进行计算。

其中，本申请实施例可以将模型导入ABAQUS并调用UMAT子程序进行计算，将完整的多晶体模型inp文件导入ABAQUS中，即可生成含内聚力晶界单元并包含网格的多晶塑性有限元模型。

本申请实施例可以基于EBSD技术，结合Dream3D、Matlab、Python软件，并基于Fortran语言编写的晶体塑性UMAT子程序，与ABAQUS软件结合，实现了对多晶金属材料拉伸、疲劳、微动疲劳等过程裂纹萌生、扩展的多晶塑性有限元模拟，能够更好模拟实际拉伸、疲劳、微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响。

根据本申请实施例提出的多晶塑性有限元模拟方法，可以引入内聚力晶界单元和背应力演化，并编写相应的计算程序，以计算模拟多晶塑性有限元模型，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，从而保证有限元模拟的精确性和可靠性，保证多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确，更好模拟实际拉伸、疲劳、微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响。由此，解决了相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性的问题。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的多晶塑性有限元模拟装置。

图6是本申请实施例的多晶塑性有限元模拟装置的结构示意图。

如图6所示，该多晶塑性有限元模拟装置10包括：获取模块100、第一生成模块200、导入模块300、删除模块400、第二生成模块500、计算模块600和模拟模块700。

具体地，获取模块100，用于获取原始的晶粒晶向数据，并根据晶粒晶向数据生成多晶体模型，以利用多晶体模型得到原始的文件。

第一生成模块200，用于将文件导入第一预设脚本中运行，以对多晶体模型中的各晶粒进行编号，并赋予各晶粒实际晶体取向，根据编号和实际晶体取向生成第一文件。

导入模块300，用于将第一文件导入预设程序中，并将预设程序插入模拟晶界的内聚力晶界单元模型，以得到具有模拟晶界的内聚力晶界单元的多晶体模型，根据内聚力晶界单元的多晶体模型得到第二文件。

删除模块400，用于将第二文件导入第二预设脚本中运行，以删除多余的网格和模型中的至少一项元素，得到完整的多晶体模型。

第二生成模块500，用于将完整的多晶体模型导入有限元软件中，生成含内聚力晶界单元和网格的多晶塑性有限元模型。

计算模块600，用于将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将多晶塑性有限元模型导入有限元软件，以调用晶体塑性子程序计算多晶塑性有限元模型中的至少一项力学行为。

模拟模块700，用于基于至少一项力学行为，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，根据裂纹晶体塑性得到裂纹萌生、扩展后的应力和损伤变量中的至少一项结果。

可选地，在本申请的一个实施例中，多晶塑性有限元模拟装置10还包括：设置模块和第三生成模块。

其中，设置模块，用于在将背应力演化的晶体塑性本构关系编写为晶体塑性子程序，并将多晶塑性有限元模型导入有限元软件之前，为多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件。

第三生成模块，用于根据约束条件得到多晶体模型的cae文件。

可选地，在本申请的一个实施例中，获取模块100包括：扫描单元和获取单元。

其中，扫描单元，用于对金属易损伤区域进行全局的电子背散射衍射EBSD扫描拍摄，得到原始的晶粒晶向数据。

获取单元，用于将原始的晶粒晶向数据导入Dream3D中，得到包含网格、各晶粒晶向、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息的多晶体模型。

可选地，在本申请的一个实施例中，多晶塑性有限元模型与实际多晶试件形状相同，且多晶塑性有限元模型包含各晶粒晶向、各晶粒晶界、各晶粒尺寸和各晶粒形貌中的至少一项晶体学信息。

可选地，在本申请的一个实施例中，多晶塑性有限元模拟装置10还包括：定义模块。

其中，定义模块，用于在为多晶体模型设置载荷、边界条件和分析步中的至少一项约束条件之前，采用最大名义应力准则定义内聚力晶界单元损伤的起始准则，当内聚力区域裂纹尖端的应力小于损伤起始临界值时，内聚力晶界单元处于线弹性变形阶段，当法向牵引力增大时，内聚力晶界单元的材料退化并持续损伤，直至内聚力晶界单元完全损伤。

可选地，在本申请的一个实施例中，定义模块包括：定义单元。

其中，定义单元，用于引入损伤变量以表征内聚力晶界单元材料退化的变化，当损伤变量为0时，内聚力晶界单元未产生损伤，当内聚力晶界单元受到外载荷的作用，裂纹尖端累积损伤时，损伤变量值不断增大，直至损伤变量值为1时，内聚力晶界单元完全失效。

可选地，在本申请的一个实施例中，背应力的计算公式为：

其中，ζ

需要说明的是，前述对多晶塑性有限元模拟方法实施例的解释说明也适用于该实施例的多晶塑性有限元模拟装置，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的多晶塑性有限元模拟装置，可以引入内聚力晶界单元和背应力演化，并编写相应的计算程序，以计算模拟多晶塑性有限元模型，将多晶塑性有限元模型与晶体塑性子程序进行文件关联，模拟计算完整的多晶体模型的裂纹晶体塑性，从而保证有限元模拟的精确性和可靠性，保证多晶体材料的裂纹萌生、扩展行为研究更加准确，更好模拟实际拉伸、疲劳、微动疲劳等载荷下晶界对多晶合金塑性变形与损伤行为的影响。由此，解决了相关技术局限于单晶有限元模型和晶体塑性本构模型，较少考虑循环载荷的背应力影响，且未考虑晶界的损伤效应，使得有限元结果存在误差，降低了有限元模拟的精确性和可靠性的问题。

图7为本申请实施例提供的电子设备的结构示意图。该电子设备可以包括：

存储器701、处理器702及存储在存储器701上并可在处理器702上运行的计算机程序。

处理器702执行程序时实现上述实施例中提供的多晶塑性有限元模拟方法。

进一步地，电子设备还包括：

通信接口703，用于存储器701和处理器702之间的通信。

存储器701，用于存放可在处理器702上运行的计算机程序。

存储器701可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

如果存储器701、处理器702和通信接口703独立实现，则通信接口703、存储器701和处理器702可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。总线可以是工业标准体系结构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、外部设备互连(PeripheralComponent Interconnect，简称为PCI)总线或扩展工业标准体系结构(Extended IndustryStandard Architecture，简称为EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选地，在具体实现上，如果存储器701、处理器702及通信接口703，集成在一块芯片上实现，则存储器701、处理器702及通信接口703可以通过内部接口完成相互间的通信。

处理器702可能是一个中央处理器(Central Processing Unit，简称为CPU)，或者是特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者是被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上的多晶塑性有限元模拟方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。