CN110795885A - Trip钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及TRIP钢相变诱发塑性模拟技术领域，提供一种TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法。首先获取TRIP钢的微观组织轮廓图；然后创建二维微观组织模型并划分网格，接着构建本构模型、马氏体相变模型并确定模型参数，再对准静态变形条件下两相的本构模型编写ABAQUS主程序、对修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型和马氏体相变模型编写用户子程序USFLD，设置载荷分析步、边界条件与载荷后创建并提交分析作业，得到TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程的相变、应力及应变分布。本发明能够准确模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程的相变、应力及应变分布。

Description

TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法

技术领域

本发明涉及TRIP钢相变诱发塑性模拟技术领域，特别是涉及一种TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法。

背景技术

近年来，人们对汽车结构减重和安全性问题的逐渐重视，要求汽车在实际应用过程中应具备良好的抗碰撞能力，即在高应变速率下应具备较高的能量吸收能力。而具有良好综合力学性能的TRIP钢是汽车结构的理想备选材料，该钢种最大的特点就是能够发生TRIP效应，这也是其具有良好强度和塑性的最主要因素。

所谓的TRIP(transformation induced plasticity，相变诱发塑性)效应，就是当材料受到载荷作用发生变形时，奥氏体在外力作用下会发生应力-应变诱发马氏体相变，该相变不仅能提高钢的强度，而且能增加钢的塑性。TRIP汽车用钢的动态变形行为研究也十分必要，这是因为该钢具有强度与塑性、韧性同步提高的性能特点，在汽车的安全件或加强件上具有较好的应用前景，其在实际应用过程中应具有良好的抗碰撞能力(应变速率为10²s^-1～10³s^-1)，即在高应变速率下应具备较高的能量吸收能力。动态与准静态条件下的变形行为有很大的区别，体现在材料变形的局部性、绝热温升、强烈的冲击波效应和断裂方式的改变。但是到目前为止，对TRIP汽车用钢的研究大多为准静态下的变形行为。由于高速拉伸整个过程时间非常短暂，很难通过程序控制使拉伸试样在拉断之前就停止，故只能观测试样在拉伸前与拉断后的微观组织，而不能观测拉伸过程中不同变形量下试样的微观组织，因而现有的对动态变形行为的研究，只是简单地通过比较变形前和拉断后的组织变化来实现，而且变形速率快无法实现可控应变的实验来获得高速拉伸过程中中锰TRIP钢微观组织变化规律及应力应变分布。

随着计算机技术的发展，有限元模拟技术逐渐应用到各个领域。现有TRIP钢相变诱发塑性的有限元模拟方法主要是对准静态下的变形行为进行模拟，但是还没有对TRIP钢在高速变形过程中的微观组织变化的模拟。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，能够准确模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中的相变、应力及应变分布。

本发明的技术方案为：

一种TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：获取待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图；

步骤2：对待模拟TRIP钢进行高速拉伸过程模拟；

步骤2.1：创建二维微观组织模型并进行网格划分：将微观组织轮廓图以草图的形式导入到ABAQUS有限元模拟软件中，创建待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，并对二维微观组织模型进行网格划分；

步骤2.2：构建本构模型、马氏体相变模型并确定模型参数：构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下奥氏体和铁素体两相的本构模型，进一步构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型，并考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型；通过高速拉伸实验拟合模型参数，构建TRIP钢的马氏体相变模型；

步骤2.3：编写ABAQUS主程序及用户子程序USFLD：在ABAQUS中对准静态变形条件下两相的本构模型编写主程序，对修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型和马氏体相变模型编写用户子程序USFLD；

步骤2.4：设置载荷分析步：设置一个载荷分析步，将载荷分析步的类型设为动力、隐式，根据TRIP钢的单向拉伸实验的拉伸速度设置分析步时间；

步骤2.5：设置边界条件与载荷：根据TRIP钢在动态变形过程中的受力情况设置边界条件及载荷；

步骤2.6：创建并提交分析作业：创建主程序的分析作业，在提交作业时导入USFLD子程序，得到TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中的相变分布、应力分布、应变分布。

进一步地，所述步骤1包括下述步骤：

步骤1.1：利用扫描电子显微镜对待模拟TRIP钢进行扫描，得到待模拟TRIP钢的微观组织扫描图；

步骤1.2：利用PS软件调整微观组织扫描图的对比度，得到增强对比度后的微观组织图；

步骤1.3：利用CorelDRAW软件扫描增强对比度后的微观组织图的轮廓，得到初始微观组织轮廓图；

步骤1.4：利用CAD软件将初始微观组织轮廓图中不能被ABAQUS软件识别的样条曲线转化为直线，得到待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图。

进一步地，所述步骤2.1中，创建待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，并对二维微观组织模型进行网格划分包括：创建一个与微观组织轮廓图尺寸相同的二维平面，将该二维平面设为变形体，利用微观组织轮廓图在该二维平面上划分奥氏体和铁素体的轮廓，得到待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，采用CPS4R方式对二维微观组织模型进行网格划分，得到待模拟TRIP钢的有限元网格划分图。

进一步地，所述步骤2.2包括下述步骤：

步骤2.2.1：构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下两相的本构模型为

σ₀＝A+Bεⁿ (1)

其中，σ₀为准静态变形条件下的应力，A为屈服强度，B为材料应变硬化模量，n为硬化指数，ε为应变；

步骤2.2.2：构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

其中，σ₁为高速拉伸变形条件下的应力，

为应变速率，

为准静态变形条件下的应变速率，C为速度敏感率；

步骤2.2.3：考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

σ＝σ₁*(1-k₀*ε) (3)

其中，σ为修正后的高速拉伸变形条件下的应力，k₀为温度软化因子；

步骤2.2.4：通过高速拉伸实验拟合速度敏感率C与温度软化因子k₀；

步骤2.2.5：构建TRIP钢的马氏体相变模型为

其中，Π为马氏体相变的屈服函数，R为最大的相变应变，I₁为第一应力不变量，J₂为第二偏应力不变量，J₃为第三偏应力不变量，k为马氏体相变对所处局部环境的应力状态的敏感系数，α为马氏体相变的体积分数。

本发明的有益效果为：

本发明通过绘图软件处理TRIP钢的微观组织扫描图，获取微观组织轮廓图，将轮廓图导入ABAQUS，结合TRIP钢微观组织的属性，考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，并在ABAQUS有限元模拟软件中编写主程序来模拟准静态变形过程、编写用户子程序USFLD以对主程序的结果进行修正并模拟马氏体相变过程，能够准确模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中的相变、应力及应变分布，得到了实验无法测得的相变规律。

附图说明

图1为本发明的TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法的流程图；

图2为本发明实施例中待模拟TRIP钢的微观组织扫描图

图3为本发明实施例中待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图；

图4为本发明实施例中待模拟TRIP钢的有限元网格划分图；

图5为本发明实施例中待模拟TRIP钢的赋予不同相材料属性后的轮廓图；

图6为本发明实施例中待模拟TRIP钢在不同应变速率下的真应力-真应变曲线图；

图7为本发明实施例中边界条件与载荷设置的示意图；

图8为本发明实施例中待模拟TRIP钢的奥氏体转变为马氏体的相变图；

图9为本发明实施例中待模拟TRIP钢的应力分布云图；

图10为本发明实施例中待模拟TRIP钢的塑性应变分布云图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本实施例中，利用本发明对中锰TRIP钢动态变形过程中的相变诱发塑性进行有限元模拟。

如图1所示，本发明的TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，包括下述步骤：

步骤1：获取待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图：

为了使模拟结果更加接近真实情况，要根据中锰TRIP钢微观组织形貌进行建模，而微观组织形貌较为复杂，直接在ABAQUS中绘制相当麻烦，因此需要在PS、CorelDRAW和CAD软件中进行前处理，具体步骤如下：

步骤1.1：利用扫描电子显微镜对待模拟TRIP钢进行扫描，得到如图2所示的待模拟TRIP钢的微观组织扫描图；

步骤1.2：利用PS软件调整微观组织扫描图的对比度，得到增强对比度后的微观组织图；

步骤1.3：利用CorelDRAW软件扫描增强对比度后的微观组织图的轮廓，得到初始微观组织轮廓图；

步骤1.4：利用CAD软件将初始微观组织轮廓图中不能被ABAQUS软件识别的样条曲线转化为能被ABAQUS软件识别的直线，得到如图3所示的待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图。

步骤2：对待模拟TRIP钢进行高速拉伸过程模拟，在ABAQUS有限元模拟软件中动态显示整个高速拉伸过程中无法通过实验测量的应力应变分布以及马氏体相变规律。

步骤2.1：创建二维微观组织模型并进行网格划分：将微观组织轮廓图以草图的形式导入到ABAQUS有限元模拟软件中，创建待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，并对二维微观组织模型进行网格划分。

首先创建一个与微观组织轮廓图尺寸相同的二维平面，将该二维平面设为变形体，利用微观组织轮廓图在该二维平面上划分奥氏体和铁素体的轮廓，得到待模拟TRIP钢的二维微观组织模型。本实施例中，采用CPS4R(四结点双线性平面应力四边形单元)方式对二维微观组织模型进行网格划分，得到如图4所示的待模拟TRIP钢的有限元网格划分图。其中，有限元网格划分的方法还可以是本领域技术人员所熟知的其他方法。

步骤2.2：构建本构模型、马氏体相变模型并确定模型参数：构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下奥氏体和铁素体两相的本构模型，进一步构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型，并考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型；通过高速拉伸实验拟合模型参数，构建TRIP钢的马氏体相变模型。

中锰TRIP钢的微观组织是由奥氏体相和铁素体相两相组成，每种相的材料属性是不一样的，因此需要创建两种材料属性。接着需要创建两个集合，每种集合对应不同相组织所在的区域，分别命名为F、A-M。最后把铁素体的材料属性赋予F集合，奥氏体材料属性赋予A-M集合，得到如图5所示的轮廓图。图5中，深色区域是铁素体，浅色区域为奥氏体。

模型构建的具体步骤如下：

步骤2.2.1：在准静态拉伸过程中，组成TRIP钢的两相微观组织及新生成的马氏体都是可以认为是弹塑性变形的，并且在变形过程中存在加工硬化行为，从而构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下两相的本构模型为

σ₀＝A+Bεⁿ (1)

其中，σ₀为准静态变形条件下的应力，A为屈服强度，B为材料应变硬化模量，n为硬化指数，B和n用来描述应变强化效应，ε为应变。

步骤2.2.2：准静态下两相的本构方程与准静态下Johnson-Cook模型一致，高速变形条件下两相的本构方程与Johnson-Cook模型高速变形条件下的本构方程也相同，从而构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

其中，σ₁为高速拉伸变形条件下的应力，

为应变速率，

为准静态变形条件下的应变速率，C为速度敏感率。

考虑到动态拉伸是绝热温升过程，高速拉伸塑性功转化为热能，引起拉伸试样温度升高：

其中，η为塑性功转化为热能的因子，ρ为材料密度，c为材料比热容。

步骤2.2.3：由于中锰TRIP钢有明显温度软化效应，因此在传统Johnson-Cook模型的基础上要考虑温度升高引起的材料软化。由于动态变形而升高的温度与塑性应变有关，可以认为升高的温度是塑性应变的函数，为了方便描述它们之间的关系，直接在Johnson-Cook模型添加与塑性应变有关的一项进行修正，用来描述材料的软化效应，从而考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

σ＝σ₁*(1-k₀*ε) (3)

其中，σ为修正后的高速拉伸变形条件下的应力，k₀为温度软化因子。

步骤2.2.4：通过高速拉伸实验拟合速度敏感率C与温度软化因子k₀。

步骤2.2.5：构建TRIP钢的马氏体相变模型为

其中，Π为马氏体相变的屈服函数，R为最大的相变应变，I₁为第一应力不变量，J₂为第二偏应力不变量，J₃为第三偏应力不变量，k为马氏体相变对所处局部环境的应力状态的敏感系数，α为马氏体相变的体积分数。

步骤2.3：编写ABAQUS主程序及用户子程序USFLD：在ABAQUS中对准静态变形条件下两相的本构模型编写主程序，对修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型和马氏体相变模型编写用户子程序USFLD。其中，在于用户子程序USFLD加入了绝热温升的内容，由于两种相在高速拉伸过程中都会出现软化效应，因此，两种材料都需要引入用户子程序USFLD。

本实施例中，所有相的弹性模量均取为200Gpa、泊松比均取为0.3。铁素体、奥氏体的本构方程参数如表1所示。

在相同动态变形条件下，近似认为铁素体和奥氏体具有相同的速度敏感率和准静态下的应变速率。通过高速拉伸实验得到如图6所示的高速拉伸应力应变曲线，通过拟合，得到速度敏感率C＝0.005、温度软化因子k₀＝0.45、准静态下的应变速率

表1

公式(4)表示，在塑性变形过程中，当瞬时相变驱动力大于临界相变驱动力时，马氏体相变开始。本实施例中，R＝0.025，k＝0.24，α＝0.02。

本实施例中，USFLD用户子程序的接口如下：

SUBROUTINEUSDFLD(FIELD,STATEV,PNEWDT,DIRECT,T,CELENT,

1 TIME,DTIME,CMNAME,ORNAME,NFIELD,NSTATV,NOEL,NPT,LAYER,

2KSPT,KSTEP,KINC,NDI,NSHR,COORD,JMAC,JMATYP,MATLAYO,

LACCFLA)

C

INCLUDE'ABA_PARAM.INC'

C

CHARACTER*80CMNAME,ORNAME

CHARACTER*3FLGRAY(15)

DIMENSION FIELD(NFIELD),STATEV(NSTATV),DIRECT(3,3),

1 T(3,3),TIME(2)

DIMENSIONARRAY(15),JARRAY(15),JMAC(*),JMATYP(*),COORD(*)

user coding to define FIELD and,ifnecessary,STATEV and PNEWDT

RETURN

END

在子程序USFLD中编写应变率相关性的代码如下：

CALLGETVRM('S',ARRAY,JARRAY,FLGRAY,JRCD,JMAC,JMATYP,

MATLAYO,LACCFLA)

CALL SPRINC(ARRAY,PS,1,3,1)

H1＝PS(1)*(1+B*LOG(V))

H2＝PS(2)*(1+B*LOG(V))

H3＝PS(3)*(1+B*LOG(V))

H4＝PS(4)*(1+B*LOG(V))

H5＝PS(5)*(1+B*LOG(V))

H6＝PS(6)*(1+B*LOG(V))

添加速度影响因子的代码如下：

CALLGETVRM('E',ARRAY,JARRAY,FLGRAY,JRCD,JMAC,JMATYP,

1 MATLAYO,LACCFLA)

EP＝ABS ARRAY(1)

SS1＝(H1-H2)**2+(H2-H3)**2+(H3-H1)**2

SS＝SQRT(0.5*SS1)

SSV＝SS*(1-0.45*EP)

STATEV(2)＝SSV

ABAQUS软件自带的主程序计算的是Johnson-Cook准静态下的方程，子程序将主程序的计算结果提取出来进行修正，H1、H2、H3、H4、H5、H6是考虑应变率的应力张量。SSV是根据Johnson-Cook修正模型综合考虑了应变率和温度软化效应的应力。马氏体相变模型的Fortran语言程序代码如下:

I1＝PS(1)+PS(2)+PS(3)

J2＝-(1.0*S1*S2+1.0*S2*S3+1.0*S1*S3)

J3＝1.0*S1*S2*S3

F＝1.0*R*SQRT(3.0*J2)*(1.0+k*(J3/J2**(1.5)))+

2 1.0*ALFA*I1/3.0

在上述用户子程序中，通过设置一个状态变量STATEV来反映奥氏体是否转变为马氏体。得到如图8所示的待模拟TRIP钢的奥氏体转变为马氏体的相变图，其中，最深色表示未发生相变的奥氏体，次深色表示奥氏体发生相变转变为马氏体。

步骤2.4：设置载荷分析步：如图7所示，设置一个载荷分析步Step，将载荷分析步Step-1的类型设为动力、隐式，根据TRIP钢的单向拉伸实验的拉伸速度设置分析步时间。

步骤2.5：设置边界条件与载荷：根据TRIP钢在动态变形过程中的受力情况设置边界条件及载荷。根据拉伸实验的特点，在Initial载荷步中固定一端，在step-1载荷步中给另一端设置拉伸速度。

步骤2.6：创建并提交分析作业：创建主程序的分析作业，在提交作业时导入USFLD子程序，得到TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中的相变分布、应力分布、应变分布。本实施例中，得到待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中某一时刻的应力分布云图、塑性应变分布云图分别如图9和图10所示。

显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤1：获取待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图；

步骤2：对待模拟TRIP钢进行高速拉伸过程模拟；

步骤2.1：创建二维微观组织模型并进行网格划分：将微观组织轮廓图以草图的形式导入到ABAQUS有限元模拟软件中，创建待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，并对二维微观组织模型进行网格划分；

步骤2.2：构建本构模型、马氏体相变模型并确定模型参数：构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下奥氏体和铁素体两相的本构模型，进一步构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型，并考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型；通过高速拉伸实验拟合模型参数，构建TRIP钢的马氏体相变模型；

步骤2.3：编写ABAQUS主程序及用户子程序USFLD：在ABAQUS中对准静态变形条件下两相的本构模型编写主程序，对修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型和马氏体相变模型编写用户子程序USFLD；

步骤2.4：设置载荷分析步：设置一个载荷分析步，将载荷分析步的类型设为动力、隐式，根据TRIP钢的单向拉伸实验的拉伸速度设置分析步时间；

步骤2.5：设置边界条件与载荷：根据TRIP钢在动态变形过程中的受力情况设置边界条件及载荷；

步骤2.6：创建并提交分析作业：创建主程序的分析作业，在提交作业时导入USFLD子程序，得到TRIP钢在高速拉伸变形条件下奥氏体向马氏体转变过程中的相变分布、应力分布、应变分布。

2.根据权利要求1所述的TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤1包括下述步骤：

步骤1.1：利用扫描电子显微镜对待模拟TRIP钢进行扫描，得到待模拟TRIP钢的微观组织扫描图；

步骤1.2：利用PS软件调整微观组织扫描图的对比度，得到增强对比度后的微观组织图；

步骤1.3：利用CorelDRAW软件扫描增强对比度后的微观组织图的轮廓，得到初始微观组织轮廓图；

步骤1.4：利用CAD软件将初始微观组织轮廓图中不能被ABAQUS软件识别的样条曲线转化为直线，得到待模拟TRIP钢的微观组织轮廓图。

3.根据权利要求1所述的TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤2.1中，创建待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，并对二维微观组织模型进行网格划分包括：创建一个与微观组织轮廓图尺寸相同的二维平面，将该二维平面设为变形体，利用微观组织轮廓图在该二维平面上划分奥氏体和铁素体的轮廓，得到待模拟TRIP钢的二维微观组织模型，采用CPS4R方式对二维微观组织模型进行网格划分，得到待模拟TRIP钢的有限元网格划分图。

4.根据权利要求1所述的TRIP钢动态变形过程相变诱发塑性的有限元模拟方法，其特征在于，所述步骤2.2包括下述步骤：

步骤2.2.1：构建待模拟TRIP钢在准静态变形条件下两相的本构模型为

σ₀＝A+Bεⁿ (1)

其中，σ₀为准静态变形条件下的应力，A为屈服强度，B为材料应变硬化模量，n为硬化指数，ε为应变；

步骤2.2.2：构建待模拟TRIP钢在高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

其中，σ₁为高速拉伸变形条件下的应力，为应变速率，

为准静态变形条件下的应变速率，C为速度敏感率；

步骤2.2.3：考虑TRIP钢的温度软化效应，对高速拉伸变形条件下两相的本构模型进行修正，得到修正后的高速拉伸变形条件下两相的本构模型为

σ＝σ₁*(1-k₀*ε) (3)

其中，σ为修正后的高速拉伸变形条件下的应力，k₀为温度软化因子；

步骤2.2.4：通过高速拉伸实验拟合速度敏感率C与温度软化因子k₀；

步骤2.2.5：构建TRIP钢的马氏体相变模型为

其中，Π为马氏体相变的屈服函数，R为最大的相变应变，I₁为第一应力不变量，J₂为第二偏应力不变量，J₃为第三偏应力不变量，k为马氏体相变对所处局部环境的应力状态的敏感系数，α为马氏体相变的体积分数。

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