【摘 要】
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在介观尺度下,金属多晶体晶粒之间的接触并不是简单的面与面贴合,而是有一定的过渡,称为晶界,是晶体缺陷的一种,这种缺陷也是导致多晶体断裂的主要因素之一,现有文献对多个晶体颗粒与体心立方结构背景下的晶界研究很少,在晶粒之间加入内聚力单元层模拟晶界的研究更少。在使用voronoi模型模拟多晶体时有成本高与难收敛的问题,所以本文探讨对加入内聚力单元层的简化多晶模型进行力学分析。本文的主要工作是:(1)首先
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在介观尺度下,金属多晶体晶粒之间的接触并不是简单的面与面贴合,而是有一定的过渡,称为晶界,是晶体缺陷的一种,这种缺陷也是导致多晶体断裂的主要因素之一,现有文献对多个晶体颗粒与体心立方结构背景下的晶界研究很少,在晶粒之间加入内聚力单元层模拟晶界的研究更少。在使用voronoi模型模拟多晶体时有成本高与难收敛的问题,所以本文探讨对加入内聚力单元层的简化多晶模型进行力学分析。本文的主要工作是:(1)首先是基于voronoi模型用一种新的方法对简化多晶几何模型进行复现,关键是计算单元(C3D8)中心点与种子点之间的长度,之后对单元进行归类。然后对这种模型进行力学性质分析,采用宏观与介观两种材料模型,并对不同的晶粒赋予不同组的材料参数,最后对分析结果进行对比,发现两种材料模型力学分析的应力云图有很大不同,与各自的单晶模型相比,多晶模型的应力云图更不规则与复杂,但所有模型的力学响应曲线都相差不大,只是多晶模型内部单元节点的应力应变曲线有循环折回,结构内部单元的积分点没有此现象。之后与相同颗粒数voronoi模型的力学分析作对比,结果发现简化模型的分析结果与之相差不大,所以,voronoi模型的力学分析可由简化多晶模型做。最后对比了相同体积下不同颗粒数简化多晶模型的力学响应。(2)基于简化多晶几何模型,在晶粒之间构造内聚力单元层以模拟晶间裂纹,构造此模型的方法是:1)对各种单元及其节点进行合理与严格地编号,以晶粒单元编号为主,其节点与内聚力单元及其节点的编号都将以这个主编号为始。2)合理地改变节点坐标值,达到各个单元的合理缩放;3)由于晶粒单元的编号有一定的规律,所以可以通过规律公式删除在模型表面生成的内聚力单元;4)再次通过规律公式对晶粒与内聚力单元之间绑定约束的主从面进行严格地对应;5)通过规律公式判断同一单元集中不是晶粒表面的内聚力单元,然后删除;6)重新定义晶粒单元与内聚力单元,并根据主编号划分晶粒单元集与内聚力单元集。在第4)步之后会生成单元形式的内聚力单元层模型,在生成单元集形式的内聚力模型之后分别用与(1)中相同的两种材料模型进行力学性质分析,结果发现单元形式的模型不能正确地反映多晶体的力学响应;与(1)中的简化模型对比之后发现,多晶体内部节点的应力应变曲线没有循环折回,并且两种材料模型的应力云图相差不大,说明简化模型在加入内聚力单元层之后弱化了材料模型对力学分析结果的影响。最后分析了内聚力单元层几何厚度对模型力学性质的影响,发现随着厚度的增加,模型的断裂也越容易。
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