Neper2CAE和PyCiGen：Abaqus中的多晶体生成和断裂模拟

软件X 13（2021）100651原始软件出版物Neper2CAE和PyCiGen：在Abaqus中生成多晶体和Nicola-Grillia，a，Edmund Tarletona，b，Alan C.F.公鸡aa牛津大学工程科学系，地址：Parks Road，OX1 3PJ，UK英国牛津大学材料系，地址：Parks Road，OX1 3PH，UKar t i cl e i nf o文章历史记录：接收8九月2020收到修订版2020年11月24日接受2020年保留字：有限元法断裂力学多晶体阿巴库斯内佩尔a b st ra ct制定了两个守则：一个允许由诸如Neper或DREAM 3D的软件生成的柱状多晶体几何形状被导入到完整Abaqus环境中，用于进一步的几何操作和与任意元素类型的网格化;另一个代码生成零厚度、晶体之间的边界处的四个节点界面元素。这些共同允许晶间断裂模拟很容易在Abaqus中进行。这种方法可以自动创建不同的晶粒结构，并允许模拟金属和其他晶体材料的机械性能。这一点很重要，因为它使样品能够再现实验中观察到的断裂和机械性能的样品变异性。这些脚本扩展了有限元求解器Abaqus的模拟功能©2020作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本V1.0.1代码的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00041Code Ocean compute capsule N/A法律代码许可证LGPL-2.1许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言Python编译要求要求中列出的链接到开发人员文档https://github.com/ngrilli/PyCiGen技术支持电子邮件nicolo. eng.ox.ac.uk软件元数据当前代码版本V1.0.1代码的永久链接https://github.com/ngrilli/Neper2CAECode Ocean compute capsule N/A法律代码许可证LGPL-2.1许可证使用git的代码版本控制系统软件代码语言Python编译要求Neper 4.0.2、Abaqus 2016和要求中列出的Python包链接到开发人员文档https://github.com/ngrilli/Neper2CAE技术支持电子邮件nicolo. eng.ox.ac.uk*通讯作者。电子邮件地址：nicolo.grilli@ eng.ox.ac.uk（Nicolo. Grilli），edmund.eng.ox.ac.uk（Edmund Tarleton），alan. eng.ox.ac.uk（Alan C.F.公鸡）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.1006511. 动机和意义为了模拟金属的机械性能，需要分析微观结构的弹性和塑性响应[1]。金属由具有晶体结构的颗粒组成，其尺寸从纳米到毫米不等每一粒2352-7110/©2020作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx作者声明：John W.旋塞软件X 13（2021）1006512具有特定的形状和方向。机械测试的模拟可以使用有限元求解器进行，例如Abaqus [2]。用户材料（UMAT）子程序可用于模拟不同晶粒的机械性能[3，4]。通过零厚度用户元素（UEL）子程序实现的粘结界面用于模拟裂缝成核和传播[5用于生成多晶几何形状的软件是可用的，例如Neper [8]和DREAM3D [9]。它们可以生成任意晶粒尺寸、分布和取向的多晶。他们还可以导入实验图像。多晶体几何形状的网格化能力通常包括在上述软件中。但是，可以生成的几何形状和网格化选项是有限的。具体而言，允许各种几何操作选项的图形用户界面不可用。通常，只能生成具有四节点四面体单元的平行六面体几何。六面体单元优于四面体单元，四面体单元在弯曲过程中会产生过度的刚性响应[10]。四节点四面体单元表现出所谓的体积锁定[11]。这种数值现象发生在位移场的体积应变几乎四面体单元的形状函数在捕捉这些变形方面不太准确，这导致相邻单元分别承载正和负体积应变。因此，引入了虚假的高这对于晶体塑性本构模型尤其如此，其中塑性变形被建模为等容过程。[12Abaqus CAE（Complete Abaqus Environment）提供了更先进的功能。可以使用任意形状的挤出物来修改几何形状，并且可以在模型中组装多个部件，因此可以重新生产具有任意形状的样品。此外，可能会引入内部空隙如果外部设备向样品施加载荷，则可以将其包括在模型中。可以引入任意的边界条件和零件之间的接触Abaqus CAE的网格生成功能可以使用不同的元素类型和网格化算法。因此，将多晶生成软件（如Neper）与Abaqus CAE连接起来代表了科学和工程界的强烈需求。这样的链接由本手稿中描述的程序Neper2CAE提供。当运行一组具有不同晶粒尺寸和形状的模拟时，多晶体几何形状的自动生成也是因此，可以理解断裂和机械性能的样品间变异性，并在组件设计期间建立安全限值。晶界是相邻晶粒之间的2D界面，在一系列金属中提供裂纹成核和扩展位置[15]。这种现象可以使用界面元素进行建模，其机械特性由牵引分离定律描述界面元在晶界上构成二维网格。然而，商用有限元软件不提供自动生成零厚度粘结单元的可能性。现有的多晶生成软件只能生成三角形界面元素.如果在颗粒内部使用六面体单元，则必须使用四边形界面单元。因此，需要一个额外的程序，这是PyCiGen，在这篇手稿中描述该软件是专门为多晶金属开发的，但其适用性可以很容易地扩展到具有界面的不同材料，例如复合材料。2. 软件许可：多晶体生成在本节中，报告了用于多晶生成的主要Abaqus脚本命令。Neper解析器（.tess文件）也出现在开发的代码中，但在手稿中没有详细描述，读者可以参考代码库。使用Neper [ 8 ]生成2D多晶，如图所示。1.一、生成的.tess文件包含**vertex关键字后的颗粒顶点vi的坐标（x， y）使用以下命令在Abaqus几何体的上曲面中引入这些元素部分DatumPointByCoordinate（coords=（x，y，z））其中z是平行六面体几何体沿z轴的用户定义深度连接颗粒的两个顶点vi和vj的边在.tess文件中的关键字**edge之后描述。使用以下命令将它们作为上曲面的分区包含在Abaqus几何体中：Part.PartitionFaceByShortestPath（point1=vi，point2=vj，faces=pickedFaces）因此，在上表面上产生了2D晶粒结构，如图中红色虚线正方形内的晶粒所示。1.一、通过沿着对应于负z方向的扫掠方向扫掠在上表面上产生的边缘ei，几何形状被分割成柱状晶粒，如图1B所示。1.一、这是使用命令完成的Part.PartitionCellByExtrudeEdge（line=sweepDir，cells=pickedCells，edges=ei，sense=REVERSE）此时，每个晶粒对应一个单元格。使用以下内容定义用户材料Model.materials[grainName].UserMaterial（mechanicalConstants=mechConstTuple）机械常数表示晶粒的取向和材料类型。以这种方式，可以包括具有由不同晶体结构构成的晶粒的使用以下命令创建相应的实体截面并将其指定给每个晶粒：Model.HomogeneousSolidSection（name=grainName，material=grainName，thickness=None）p.SectionAssignment（region=regionName，sectionName=grainName，offset=0.0，offsetType=MIDDLE_SURFACE，offsetField=''，thicknessAssignment=FROM_SECTION）最后，Abaqus模型准备就绪，可以使用Abaqus CAE功能进行转换。可以指定边界条件并创建网格。使用说明：在文件main.py中，必须设置以下参数：宽度、高度和深度。 这些将是Abaqus中生成的平行六面体几何体沿x、y和z轴的尺寸。还必须设置确定颗粒数量Ngrains的参数。然后通过以下方式执行代码：python3.6 main.py作者声明：John W.旋塞软件X 13（2021）1006513Fig. 1. 多晶生成算法的步骤。图二. 界面元素生成的步骤。3. 软件许可：接口元素生成在本节中，考虑六面体单元的网格，其中每个体单元具有8个节点，对应于六面体的顶点。相邻的单元由一个面连接，该面包含4个节点。每个节点和每个元素的特征在于一个唯一的正整数索引。首先，构造一个称为“连通性”的数据结构体元素集由Abaqus构建，包含所有属于某种颗粒的元素界面元素是在晶粒间的界面处形成的。因此，必须识别这些接口处的节点。例如，在Fig. 2，节点n1属于三个不同的晶粒（G1，G2和G3），而节点n2属于两个不同的晶粒（G1和G2）。为了识别界面节点，使用了在晶界处的相邻块体单元被识别为包含界面节点的单元。在两个相邻主体元素之间的界面处创建“面"对象。通过检查相邻体元件对是否共享四个接口节点来识别它们。 图在图2中，每个“面”对象由连接不同颗粒中的体元素的节点的四条虚线表示。接口节点将成倍增加。例如，在Fig. 2，节点n1是三重的，因为它属于三个不同的晶粒。创建两个新节点n′1和n′1′节点n2是重复的，创建新节点n2每个复制的节点都包含一个指向原始节点的变量。每个复制的节点被分配给属于不同颗粒的不同体元素。例如，在Fig. 2，n1，n′1和n′1′被分配给三个不同的晶粒在此操作之后，不再有接口节点：每个节点属于唯一的颗粒。此时，面对象包含有关将形成界面元素的8个节点的信息以及有关2个相邻主体元素的信息界面元素的前4个节点（i1，i2，i3，i4）属于一个晶粒，而其他节点（i5，i6，i7，i8）属于另一个晶粒。在有限元模拟中，变形矢量与每个节点相关联，并且因此，接口元素中节点的顺序很重要。在零变形时，节点i1与i5重合，节点i2与i6重合，节点i3与i7重合，节点i4与i8重合，如图1所示。 3（b）款。这些节点对之间的距离决定了界面分离。建立一个右手参考系XYZ，如图所示。3（b）款。X指向i1到i2，Y垂直于X，属于包含节点（i1，i2，i3，i4）的平面。在图3（b）中，Z轴从晶粒2（G2）指向晶粒1（G1）。Z的方向对于有限元求解器是重要的，因为它区分内聚界面的打开和关闭。图在图3（b）中，由节点（i5，i6，i7，i8）构成的四边形已经朝向正Z方向移动，指示内聚界面是开放的。Z必须始终从包含接口节点（i1，i2，i3，i4）的晶粒指向包含接口节点（i5，i6，i7，i8）的晶粒。为了确定Z的正确方向和正确的参考系统XYZ，重要的是正确地关联作者声明：John W.旋塞软件X 13（2021）1006514→→→→ →→≡≡ ≡≡≡ ≡ ≡≡图三. （ a）主体元件和（b）界面元件的节点编号。见图4。 （a）将牵引力与界面元素节点之间的间距联系起来的牵引-分离定律。(b)沿任意由多个晶界构成的路径界面元件（i1，i2，i3，i4）的节点与相应的体元件的节点。该准则基于右手法则：如果右手手指沿着路径i1卷曲I2I3i4，拇指必须指向另一个纹理。该方向确定Z轴。对于另一个相邻的体单元，如果指状物沿着路径i5卷曲，I6I7i8， 右手拇指也必须沿着Z指向包含（i5，i6，i7，i8）的纹理。这种关联是通过使用Abaqus生成的六面体单元的以下属性来完成的：单元可以在空间中任意定向，但节点编号始终是图1中表示的节点编号。第3（a）段。六个可能的面可以与界面元素相关联。面对象包含有关相邻主体元素的信息。因此，定义了一个例如，如果具有节点（n1，n2，n3，n4）的体元件面与界面元件节点（i1，i2，i3，i4）相关联，则应用上述右手规则。体单元的节点和界面单元的节点之间的对应关系为：n4，i2n3，i3n2，i4n1.如果相同的体单元面与界面单元节点（i5，i6，i7，i8）相关联，则对应关系为：i5n1，i6n2，i7n3，i8n4.这在图3（b）中针对颗粒1（G1）中的体元素示出。对于六种面类型，界面元件的节点和体元件的节点之间的对应关系报告在表1中。通过模拟两个体单元和一个在它们之间的公共界面处的界面单元，研究了界面单元的行为。图图4（a）显示了该测试的结果。该图将界面元素上的牵引力显示为作者声明：John W.旋塞软件X 13（2021）1006515表1体元节点和界面元节点之间可能的对应关系。（i1， i2， i3， i4）（ i5， i6， i7， i8）（n4， n3， n2， n1）（ n1， n2， n3， n4）（n5， n6， n7， n8）（ n8， n7， n6， n5）（n2， n3， n7， n6）（ n6， n7， n3， n2）（n1， n5， n8， n4）（ n4， n8， n5， n1）（n1， n2， n6， n5）（ n5， n6， n2， n1）（n3， n4， n8， n7）（ n7， n8， n4， n3）一个节点分离的函数。最大牵引力σmax在分离距离为0时达到，而在分离距离为0时达到。图 4（b）示出了一个更广泛的例子，使用图4中的牵引定律。第4（a）段。在这种情况下，示出了沿着由多个晶界构成的任意路径使用说明：使用polycrys创建的网格文件-必须将由Neper 2CAE生成并命名为Job-1.inp的tal模型添加到代码文件夹中然后通过以下方式执行代码python3.6 main.py界面元素将保存在文件Job-1-int-elems. inp中。4. 结论开发了两个程序，生成多晶代表体和晶界界面元。这些功能在Abaqus CAE中不可用，但它们通常需要在微米长度尺度上建模机械性能界面元素生成算法是一个普遍关注的问题。它代表了一个在网格中的接口检测的例子。第3节中描述的用于找到界面元素方向的策略基于以下顺序：界面单元节点以及界面单元节点和体单元节点之间的特定对应关系。它可以用来找到指向通用元素集内部和外部的方向。该软件已用于最近对铸造α-铀的晶间断裂的研究[17，18]，并可在以下存储库中获得[19，20]。不同类型的接口元素的实现可能是PyCiGen未来的改进。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认作者感谢AWE，UK plc对本研究的财政支持，项目经理：JohnAskew博士。ET确认了英国工程和物理科学研究委员会在奖学金EP/N 007239/1下的支持。引用[1]吴伟杰，王晓刚，王晓刚.材料科学与工程中的晶体塑性有限元法Wiley;2010，URLhttps：//onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527631483网站。[2]史密斯M。ABAQUS/Standard用户手册，版本6.9。美国：达索系统公司;2009年。[3] Roters F，Diehl M，Shanthraj P，Eisenlohr P，Alberber C，Wong S，etal.DAMASK-ComputMaterSci2018.http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.04.030网站。[4]放大图片作者：J.长度尺度相关的、弹性各向异性的、基于物理的hcp晶体塑性 ： 在 钛 合 金 冷 保 疲 劳 中 的 应 用 。 Int J Plast 2007;23 （ 6 ） ： 1061-83.http://dx.doi.org/10.1016/j.ijplas.2006.10.013，URLhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641906001641。[5]卡马乔G，奥尔蒂斯M。脆性材料冲击损伤的计算模拟。国际固体结构杂志1996;33（20）：2899-938. http://dx.doi.org/10的网站。1016/0020-7683（95）00255-3。[6] Ortiz M，Pandolfi A.三维裂纹扩展分析的有限变形不可逆凝聚元。国际数字 方 法 工 程 杂 志 1999;44 （ 9 ） ： 1267-82. http ： //dx.doi.org/10.1002/（SICI）1097-0207（19990330）44：9 1267：：AID-NME486>3.0.CO;2-7.[7]Elmukashfi E，Tarleton E，Cocks ACF. 耦合氢扩散和力学行为的模拟框架的工 程 师 -ing 组 件 。 Comput Mech 2020;66 （ 1 ） ： 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