高效转换黄永刚隐式晶体塑性模型为显示模型的研究

摘要:

在材料科学领域，数字模拟成为实验研究的有力补充。黄永刚隐式晶体塑性模型以良好的收敛性和高效的计算效率在常态下表现出色。然而，对于复杂工况如切削、轧制、冲压等，隐式模型可能会遇到收敛性问题，使得专家倾向于采用显示计算。本文探讨了一种方法，即通过加入BULK VUMAT接口程序，并结合ABAQUS软件平台，将现有的隐式模型转变为显示模型。这不仅标志着模型应用范围的扩展，也提供了基于现有资源快速适应新应用场景的解决方案。

1. 引言

材料在复杂工况下的行为通常伴随着变形与相变的复杂过程。显示计算能够直接追踪变形与响应，但对于一般学者来说，从零开始构建显示晶体塑性模型需要深入的理论知识与编程技能，耗时耗力且门槛较高。鉴于此，本文提出直接将现有的黄永刚隐式模型转换为显示模型的策略，旨在降低准入门槛，同时不牺牲已有的高效计算优势。

2. BULK VUMAT接口的有效应用




BULK VUMAT函数在ABAQUS中是用于扩展本构模型功能的重要工具。首先，通过集成BULK VUMAT到模型中，系统能接受并处理通过试样点条件相关性的输入。其次，对于隐式模型需要进行一系列显式计算步骤以生成应力和状态变量的预定结果。本文中采用的步骤包括：

启用人接口程序： 加入了包含所需材料特性的BULK VUMAT规范。这允许ABAQUS在计算过程中识别并处理特定的物理现象。

时间步长操控： 通过迭代方式计算应力和状态变量的更新值，确保模型在预定时间增量内收敛。

结构的精细划分： 为了评估模型的计算效率，利用了包含1000个晶粒与80000个单元的二维压力模拟数据集。模拟结果显示了从隐式到显式模型转换后的性能提升。

3. 技术细节与方法论

黄永刚模型在umat程序内部定义剪切应力分量为12，13，23，对应工程剪应变，而vumat程序则将分量定义为12，23，13，即2工程剪应变。这一差异表明，在vumat接口应用中剪应力的处理方式有所不同。然而，一系列校准和验证步骤确保了从隐式到显示转换、以及转换后模型与原始隐式模型之间结果的近似一致性。

4. 计算效率与时间性能

通过对比完全显式计算过程与vumat接口下的计算结果，本文探讨了采用vumat接口转换为显示模型后的效率提升。实验数据显示，这种方法不仅保持了原有模型的高效计算能力，还允许使用更大的时间增量，从而在保证准确性的前提下，显著节省了计算资源并提升了处理大规模复杂模拟的灵活性。

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