含晶界多晶几何模型的建立及其在abaqus中的实现

引言

在晶体塑性模拟领域，构建与实验高度一致的多晶微观结构模型对于准确预测塑性变形、损伤、扩散等行为至关重要。传统的几何模型通常将晶界简化为二维线或三维面，且大多数情况下的研究并未对它们赋予独立的几何集合。然而，越是精确的模拟，越需要考虑晶界上可能发生的非均匀变形、损伤或元素扩散，以提高计算结果的准确性。本研究基于这一需求，提出一种灵活的含晶界多晶几何模型建立方法，旨在实现更精确的晶体塑性模拟。

建模思路与实现


使用Neper与Homtools构建结构模型




Neper设置(基础模型来源): Neper作为一种先进的晶体塑性模型前处理软件，能以简单高效的界面处理各种复杂组织模型，依托其生成的 `.geo` 或 `.tess` 文件中包含了丰富的点、线、面等几何信息，为后续模型构建提供了坚实的数据基础。

Homtools应用: Homtools，作为Open Source Python代码库，提供了实用的算法用于晶界模型的生成，其通过计算不同晶粒内部偏离点的位置，进而实现条带状晶界的构建。借助于Python脚本与ABAQUS Partition Face功能的协同工作，能够高效地模拟具有更细致结构性质的多晶体微观结构。

具体建模过程


具体的建模步骤涵盖了预处理、晶界生成与后处理三个阶段。

1. 预处理: 利用Neper的 `.geo` 文件，提取关键几何信息，例如点、线、面，然后将这些信息分类存储在相应的Python数据结构中。

2. 晶界生成:


直线与中点计算: 分别计算输入线段的中点坐标，并通过单位向量描述方向。

计算斜率与偏离点: 计算平面上给定线段的方向信息（斜率），进而求取距离给定点等距离的一组偏离点。

生成晶界: 利用Homtools的后续步骤，根据上述偏离点构建理想化的晶界，产生基于预设角度差的条带状晶界特征。

细化建模: 通过ABAQUS的Partition Face功能，根据晶粒间的相对取向与板厚差调整晶界特征，生成可视化结果。

3. 分割与优化:

整体与分离式晶界: 实现对不同晶粒晶界的有效分割与定位，例如图3(a)展示了晶界整体集合设置方法，图3(b)则细化为独立晶界集合，增强模型的精细化程度。

长径比调整: 通过改变晶粒尺寸比例，利用Neper奠定的基础构建了不同长径比的多晶组织模型，如图4所示，相应地调整晶界模型生成过程中各参数，确保模拟的多样性和准确性。

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