1.一种基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于,包括以下步骤:S1:获取试样板的微观数据,对所述微观数据进行处理,提取出试样板晶粒的物理信息,基于所述物理信息,构建晶粒真实形貌的有限元模型;
S2:基于双线性内聚力准则和最大剪应力准则,构建晶体塑性本构模型,利用所述晶体塑性本构模型对所述有限元模型按照边界条件进行多次晶体塑性有限元模拟,得到晶体材料在塑性形变过程中的微观形变参数;
S3:将所述微观形变参数与在拉伸实验时试样板的应力‑应变数据相拟合,确定塑性形变过程中的拟合参数;
S4:基于所述拟合参数,建立多种模式晶粒模型,利用所述晶体塑性本构模型对不同模式晶粒模型进行模拟,将模拟结果与实验结果进行对比,确定符合预测条件的晶粒模型,利用所述晶粒模型对待预测预裂纹板的裂纹扩展路径进行预测。
2.根据权利要求1所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述晶体塑性本构模型包括双线性内聚力的损伤演化模型和最大滑移剪切应变的损伤演化模型。
3.根据权利要求2所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于,所述双线性内聚力的损伤演化模型的构建方法包括:对于张开型、滑开型和撕开型的开裂损伤,分析内聚力单元分别在法向和两个正交的切向方向上的应力:其中,下标n、s和t表示分离牵引力T的法向方向、正交关系的两个切向方向,σn、σs和σt分别表示内聚力单元在n方向、s方向和t方向上的应力,σmax、τmax表示内聚力界面法向方向和切线方向上所能承受的最大应力; 分别表示内聚力单元法向和切向的初始厚度;δ表示内聚力界面处的分离牵引力T随其上、下表面的相对位移;
其中,内聚力单元分别在n方向、s方向和t方向上的临界断裂能,其表示为:式中, 和 分别表示内聚力单元在n方向、s方向和t方向上的临界断裂能; 表示内聚力单元在n方向上的分离位移, 表示内聚力单元在s方向上的分离位移, 表示内聚力单元在t方向上的分离位移;
对于混合型的开裂损伤,通过未损伤状态下内聚力单元的初始厚度T0和单元节点与其初始卸载位置的分离位移来定义内聚力单元中三个方向上的应变:其中,εn表示n方向上的应变,εs表示s方向上的应变,εt表示t方向上的应变;
基于内聚力单元中三个方向上的应变εn、εs和εt,得到应力位移:
其中,δm为有效位移,用于描述断裂界面法向变形和切向变形组合下的等效损伤演变参数,D(δm)代表损伤演化, 表示内聚力单元起始分离位移, 表示内聚力单元界面完全分离失效时对应的分离位移,Knn,Kss,Ktt分别表示内聚力模型在法向和两个正交切向方向分量的刚度。
4.根据权利要求3所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述双线性内聚力的损伤演化模型的初始损伤判据为:其中, 和 依次表示内聚力界面法向和两个正交的切向方向所能承受的
最大应力;<>表示内聚力模型在法向应力不为负值,即内聚力单元在法向不受压缩。
5.根据权利要求3所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述有效位移δm满足的条件为:其中,δn表示分离牵引力T在n方向上的位移,δs表示分离牵引力T在s方向上的位移,δt表示分离牵引力T在t方向上的位移。
6.根据权利要求1所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述最大滑移剪切应变的损伤演化模型的构建方法包括:所有滑移系中的最大滑移剪切应变达到指定临界值时,损伤开始产生并积累,材料的损伤度D表示为:其中,γm是所有滑移系中的最大剪切应变;γm,ini是损伤起始时的临界值,即当所有滑移系中的最大剪切应变达到这个数值时,材料开始出现损伤;γm,max是损伤度最大时的临界值,即当所有滑移系中的最大剪切应变达到这个数值时,材料的损伤度达到上限值Dmax;M是材料的损伤演化指数;
基于所述材料的损伤度D,得到有效分切应力的表达式:
其中,τ表示分切应力张量;
将所述有效分切应力的表达式代入式(7)中可得:
其中, 表示方向α上的有效分切应力, 表示滑移率, 表示滑移系间相互作用达到α峰值后的滑移量,g表示滑移系当前强度的变量,n表示率相关敏感系数;
因此滑移系强度 的计算公式演变为:
其中,hαβ为滑移硬化模量,且在α和β滑移系的变化范围是在所有的滑移系上进行求和,故hαα和hαβ分别表示自、潜在硬化模量。
7.根据权利要求1所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述晶体材料在塑性形变过程中的微观形变参数包括弹性阶段的材料常数、晶界断裂和晶内断裂内聚力参数以及最大剪应变损伤参数,其获取方法为:对实际微观模型按实际实验条件赋予边界条件进行多次晶体塑性有限元模拟,得到弹性阶段的材料常数;
将基于双线性内聚力准则和最大剪应力准则这两种损伤准则编写的UMAT子程序进行多次晶体塑性有限元模拟,确定晶界断裂和晶内断裂内聚力参数以及最大剪应变损伤参数。
8.根据权利要求1所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述边界条件是固定试样板的一端,在试样板的另一端施加位移载荷,将得到的模拟数据结果与拉伸实验得到的应力‑应变响应数据进行标定。
9.根据权利要求1所述的基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,其特征在于:所述微观数据的获取方法包括:利用电子背散射衍射技术对试样板的拉伸断口进行表征,得到试样板的微观数据。
10.一种基于晶体塑性的预裂纹板裂纹路径扩展预测系统,其特征在于,用于实现如权利要求1~9任一项所述的预裂纹板裂纹路径扩展预测方法,所述预测系统包括以下模块:晶粒真实形貌的有限元模型构建模块,用于获取试样板的微观数据,对所述微观数据进行处理,提取出试样板晶粒的物理信息,基于所述物理信息,构建晶粒真实形貌的有限元模型;
微观形变参数获取模块,用于基于双线性内聚力准则和最大剪应力准则,构建晶体塑性本构模型,利用所述晶体塑性本构模型对所述有限元模型按照边界条件进行多次晶体塑性有限元模拟,得到晶体材料在塑性形变过程中的微观形变参数;
拟合参数计算模块,用于将所述微观形变参数与在拉伸实验时试样板的应力‑应变数据相拟合,确定塑性形变过程中的拟合参数;
裂纹扩展路径预测模块,用于基于所述拟合参数,建立多种模式晶粒模型,利用所述晶体塑性本构模型对不同模式晶粒模型进行模拟,将模拟结果与实验结果进行对比,确定符合预测条件的晶粒模型,利用所述晶粒模型对待预测预裂纹板的裂纹扩展路径进行预测。