一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法

1.一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、推导热机械疲劳下晶体塑性本构理论；S2、建立有限元仿真模型并施加边界条件；S3、通过仿真分析，获得热机械疲劳条件下晶体塑性中各个材料参数数值；S4、基于步骤S1所推导得到的热机械疲劳下晶体塑性本构理论，编写相应的UMAT子程序；S5、基于步骤S2、S3和S4，开展热机械疲劳下晶体塑性本构仿真分析，最终将仿真结果与试验结果进行对比，以验证仿真结果的精确度；步骤S1的具体过程为：S11、变形梯度F可以分解为弹性变形梯度、塑性变形梯度和热变形梯度三部分，即：F＝F e F θ F p其中F e 为弹性变形梯度，F θ 为热变形梯度，F p 为塑性变形梯度；S12、根据滑移系的塑性变形梯度和schmid定律，可得：其中 为滑移系α的剪切应变率，F p-1 为逆变张量，s α 为滑移系α滑移面法向，m α 为滑移系α滑移方向；S13、结合试验测得的热膨胀系数，可得：其中，F θ-1 为逆变张量， 为温度变化率，ρ为热膨胀系数的二阶张量形式；S14、根据幂率硬化规律，可得：其中，τ α 为滑移系α分解切应力，X α 为滑移系α背应力，g α 为滑移系α硬化强度， 为参考切应变率；S15、根据Voce型各向同性硬化模型，可得：其中，τ 0 、τ s 、g 0 为材料参数， 为硬化模量变化率，γ为剪切应变，q为循环软硬化控制参数，β为参考滑移系，δ为克罗内克符号；S16、根据A-F型随动硬化模型，可得：其中， 为背应力变化率，C、D为材料参数。 2.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S1中综合考虑了弹性变形梯度、塑性变形梯度和热变形梯度三部分。 3.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S2的具体过程为：S21、在dream3D软件中，导入目标材料的晶粒取向及晶粒尺寸，兼顾计算效率和计算结果精确度，选择有限元模型尺寸及网格单元大小，生成三维代表体积单元的input文件；S22、将input文件整合并导入到abaqus有限元中，利用python脚本输入材料参数和周期性边界条件；S23、将三维代表体积单元的三个顶点施加固定约束，在另一个顶点施加循环对应的位移载荷，对整个模型施加均匀变化的循环温度。 4.根据权利要求3所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：预先采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射显微镜中的至少一种分析获得目标材料晶粒取向及晶粒尺寸。 5.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S3的具体过程为：S31、根据热机械疲劳温度范围，进行等温疲劳试验，通过不断调整晶体塑性各个参数，将各个温度下的仿真结果与对应温度的试验结果结果进行对比，直至平均误差达到要求，此时各个参数即为对应温度下的晶体塑性参数；S32、为了获得热机械疲劳条件下各个参数随温度变化的大小，将弹性张量C ij 表示为温度T的函数：E＝f(T)K ij ＝C ij /E其中，E为弹性模量，f(T)为温度相关一次函数，K ij 为拟合获得的参数；S33、幂率硬化模型参数n与温度T的关系如下：其中，η f 和μ f 为弹性张量相关参数，k是波兹曼常数，A 2 为拟合参数；S34、Voce型各向异性参数中，各个参数与温度的关系分别如下：其中，χ(T)、φ(T)、ψ(T)分别为温度相关的一次函数，通过拟合获得， 为参考温度下的材料参数；S35、对于背应力参数C/D而言，其同样可以表示为指数相关函数，具体公式如下：D＝A 4 exp(υ(T))+B 4其中， υ(T)同样为温度相关的一次函数，A 3 -A 4 、B 3 -B 4 均为拟合获得的参数；S36、将S31中不同温度下仿真获得的晶体塑性材料参数数值分别代入到S32-S35中进行拟合，以获得热机械疲劳条件下各个参数与温度相关的函数大小。 6.根据权利要求5所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S31中，平均误差达到要求的条件为平均误差小于10％。 7.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S4的具体过程为：S41、根据目标材料的微观组织，采用相应的参数描述其弹性变形行为，通过调整这些参数的大小，控制仿真结果中静拉伸的弹性段结果，进行不同温度下静拉伸仿真和实验，将静拉伸仿真结果和试验结果进行对比，以确定合适的取值参数；将初始温度下的初始弹性张量编入UMAT子程序中；S42、设定时间增量步大小，计算Δt时间对应的应变增量Δε以及局部弹性张量，并统计滑移系方向s及滑移面法向向量m大小；S43、通过给定的初始参数数值，计算Δt时间内的切应变增量Δγ的初始解；S44、利用Newton-Raphson法进行迭代计算，在UMAT中判断Δγ是否收敛，若不收敛，则更新材料参数继续迭代计算；若收敛，在获得其解析解大小γ t+Δt 后，进入下一个时间增量t＝(1+n)Δt继续计算，直至增量步达到设置的步长大小，即t＝t step 停止计算。 8.根据权利要求1所述的一种热机械疲劳条件下晶体塑性本构模型建立方法，其特征在于：步骤S5的具体过程为：将步骤S3中的热机械疲劳条件下晶体塑性材料参数在abaqus中赋予步骤S2中所建立的模型中，结合步骤S4中编写的UMAT子程序作为abaqus的计算依据，开展热机械疲劳下晶体塑性本构仿真分析，将仿真结果与试验结果进行对比，以验证仿真结果的精确度。