[发明专利]基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法

权利要求书

1.基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过Matlab语言生成多晶材料的Voronoi图和对应的随机晶粒取向；

S2、在ABAQUS中通过布尔运算对多晶材料建立代表性体积单元，通过Python语言读取S1中Voronoi图的拓扑信息和每个晶粒的取向信息，随同材料参数批量赋予到每个晶粒中；

S3、编写用户自定义损伤子程序UDMGINI，将其嵌入至用户自定义材料子程序UMAT中；

S4、将UMAT子程序嵌入ABAQUS软件，进行有限元计算，生成每一增量步对应的应力增量和塑性应变增量，并基于此对当前时刻的应力应变状态值进行更新；

S5、UMAT子程序将应力应变状态、增量信息和材料参数作为输入变量，生成并旋转得到全局弹性矩阵，进一步迭代求解得到晶体塑性结果参量，并将其储存至雅可比矩阵DDSDDE和可共享的状态变量组STATEV中，完成材料响应的生成；

S6、UDMGINI子程序对S5中包含结果参量的STATEV组进行调用，并对裂纹尖端前方单元的累积剪切应变及最活跃滑移系进行计算与判定，累积剪切应变为：

式中：γ为累积剪切应变，是塑性剪切应变率基于一定时间间隔的积分；

S7、若最活跃滑移系a上的累积剪切应变γ_α与临界总剪切应变γ_cr的比值小于1，即则返回S4继续进行有限元计算；若累积剪切应变γ_α与临界总剪切应变γ_cr的比值等于1，即裂纹达到开裂标准，执行裂纹扩展命令，扩展方向平行于当前最活跃滑移系的滑动方向；

S8、UDMGINI子程序将S7中的扩展信息反馈至ABAQUS求解器中；

S9、ABAQUS求解器根据反馈信息对各个单元的刚度矩阵进行组装；

S10、对已组装的刚度矩阵进行有限元求解；

S11、对求解结果的收敛性进行判定：若结果收敛，则根据单元平均解判断并更新裂纹集合，成功实现裂纹扩展，并将结果储存以进行下一个增量步的迭代运算；若不收敛，则自动采用较小增量步重复以上步骤直至收敛或达到最小增量步长为止。

2.如权利要求1所述的基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：

所述S3中，UMAT子程序框架基于晶体塑性理论，采用基于滑移的幂函数型晶体塑性本构方程，硬化方式采用各向同性硬化；UDMGINI子程序通过FORTRAN语言编写，通过可共享的状态变量组STATEV与UMAT子程序完成衔接工作。

3.如权利要求1所述的基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：

所述S5中，通过Newton-Raphson迭代法实现隐式求解并解决塑性滑移增量的迭代问题。

4.如权利要求1所述的基于累积剪切应变损伤变量的微观疲劳裂纹扩展模拟方法，其特征在于：

所述S6中，面心立方结构模型的随机晶粒中包含4个滑移面和12个滑移系，4个滑移面在循环加载工况下均被激活且在不同区域占据主导地位，UDMGINI子程序通过调取UMAT子程序中分别代表12个滑移系的状态变量：STATEV(9*NSLPTL+1)至STATEV(10*NSLPTL)，通过比较12个滑移系的独立累积剪切应变并选择包含最大独立累积剪切应变的滑移系作为最活跃滑移系。