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离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用
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作者 黄敏生 黄嵩 +1 位作者 梁爽 李振环 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第18期1864-1877,共14页
晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而... 晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而然地捕捉塑性变形微米/亚微米特征尺度下本征的尺度效应.它所能模拟的尺度介于微观分子动力学模拟和宏观有限元模拟之间,在多尺度算法中起到承上启下的作用.本文首先系统地发展、完善和丰富了离散位错动力学-有限元(finite element method, FEM)叠加算法、DDD-FEM直接耦合算法(discrete-continuous method, DCM)以及离散位错动力学-扩展有限元(extended finite element method, XFEM)耦合算法等框架体系.在此基础上,利用这些方法对单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的断裂和损伤变形行为以及塑性行为的微尺度和微结构效应3个方面开展了系统的研究.所得模拟结果指导了基于微结构和位错机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构模型的建立,丰富和加深了人们对材料强化、循环塑性、断裂、损伤、尺度效应和微结构效应的认识.此外,离散位错动力学可进一步应用于诸如高温、高压、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等极端条件下晶体材料塑性行为的研究,是材料力学行为多尺度模拟研究中的重要一环. 展开更多
关键词 离散位错动力学 有限元 扩展有限元 镍基高温合金 微尺度效应 微结构相关性
基于离散位错动力学的单晶铜构件拉伸特性研究
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作者 白清顺 胡超 +2 位作者 白锦轩 郭辉 盆洪民 《塑性工程学报》 CSCD 北大核心 2018年第5期270-276,共7页
为了研究微纳尺度构件拉伸中的位错演化行为,建立了2. 5D离散位错动力学模型,编写了单晶铜拉伸的离散位错动力学-有限元耦合仿真框架和程序。基于该模型,研究了单晶铜构件的单向拉伸特性,分析了单晶铜构件单向拉伸的特性曲线,获得了内... 为了研究微纳尺度构件拉伸中的位错演化行为,建立了2. 5D离散位错动力学模型,编写了单晶铜拉伸的离散位错动力学-有限元耦合仿真框架和程序。基于该模型,研究了单晶铜构件的单向拉伸特性,分析了单晶铜构件单向拉伸的特性曲线,获得了内部应力的分布规律。探究了单晶铜构件的厚度尺寸对拉伸特性的影响,获取了影响单晶铜单向拉伸性能的内在机理。研究结果表明,随着外载荷的增加,晶体内部逐渐形成位错网络,位错网络边界上位错吸收游离位错形成牢固的林位错组织,产生应力集中现象。通过比较不同厚度的单晶铜,认为较薄的单晶铜中位错更易被边界、林位错组织捕获,可动位错密度较低,使构件表现出更"硬"的力学特性。仿真研究表明仿真框架和程序可用于对单晶铜构件拉伸特性的评价。此外,还分析了单晶铜构件拉伸中表现出尺度效应的原因。 展开更多
关键词 单晶铜 离散位错动力学 拉伸特性 位错演化
基于三维离散位错动力学的fcc结构单晶压缩应变率效应研究
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作者 郭祥如 孙朝阳 +2 位作者 王春晖 钱凌云 刘凤仙 《金属学报》 CSCD 北大核心 2018年第9期1322-1332,共11页
基于位错理论建立了Ni单晶微柱压缩变形过程的三维离散位错动力学模型,该模型考虑了晶体塑性变形过程中位错所受的外载荷、位错间相互作用力、位错线张力及自由表面镜像力的影响。应用该模型研究了Ni单晶微柱压缩变形过程中流动应力和... 基于位错理论建立了Ni单晶微柱压缩变形过程的三维离散位错动力学模型,该模型考虑了晶体塑性变形过程中位错所受的外载荷、位错间相互作用力、位错线张力及自由表面镜像力的影响。应用该模型研究了Ni单晶微柱压缩变形过程中流动应力和变形机制的应变率效应,同时,结合理论分析研究了应变率对流动应力中有效应力、位错源激活应力和位错间弹性相互作用力的影响。结果表明:当应变率较低时,Ni单晶微柱压缩变形中位错源激活应力主导流动应力,位错源激活数量较少,初始位错密度对流动应力影响很小,呈现单滑移变形;随着应变率增加,晶体变形过程中的流动应力随之增加,流动应力中位错源激活应力所占比例逐渐减小,有效应力逐渐主导流动应力,同时激活多个滑移系内的位错源来协调塑性变形;应变率越高,各激活滑移系内的塑性应变贡献相差越小,单晶微柱变形逐渐由单滑移向多滑移机制转变;在高应变率条件下,晶体初始位错密度越高塑性变形过程中流动应力越小。 展开更多
关键词 离散位错动力学 塑性变形 应变率 流动应力 变形机制
亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展 预览 被引量:5
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作者 庄茁 崔一南 +1 位作者 高原 柳占立 《力学进展》 EI CSCD 北大核心 2011年第6期 647-667,共21页
近十年来,随着实验技术的发展,人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入,实验观测到许多由离散位错主导的新的应力一应变现象,它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的.研究... 近十年来,随着实验技术的发展,人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入,实验观测到许多由离散位错主导的新的应力一应变现象,它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应变梯度塑性理论所无法阐释的.研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法,提出了考虑位错近程相互作用由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法,旨在描述位错形核、增殖、匮乏和湮灭,揭示该尺度下塑性流动的机理.本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面,综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展. 展开更多
关键词 亚微米尺度实验 晶体塑性理论 离散位错动力学 有限元 本构关系
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A hierarchical dislocation-grain boundary interaction model based on 3D discrete dislocation dynamics and molecular dynamics
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作者 GAO Yuan ZHUANG Zhuo YOU XiaoChuan 《中国科学:物理学、力学、天文学英文版》 SCIE EI CAS 2011年第4期625-632,共8页
We develop a new hierarchical dislocation-grain boundary (GB) interaction model to predict the mechanical behavior of polycrystalline metals at micro and submicro scales by coupling 3D Discrete Dislocation Dynamics (D... We develop a new hierarchical dislocation-grain boundary (GB) interaction model to predict the mechanical behavior of polycrystalline metals at micro and submicro scales by coupling 3D Discrete Dislocation Dynamics (DDD) simulation with the Molecular Dynamics (MD) simulation.At the microscales,the DDD simulations are responsible for capturing the evolution of dislocation structures;at the nanoscales,the MD simulations are responsible for obtaining the GB energy and ISF energy which are then transferred hierarchically to the DDD level.In the present model,four kinds of dislocation-GB interactions,i.e.transmission,absorption,re-emission and reflection,are all considered.By this methodology,the compression of a Cu micro-sized bi-crystal pillar is studied.We investigate the characteristic mechanical behavior of the bi-crystal compared with that of the single-crystal.Moreover,the comparison between the present penetrable model of GB and the conventional impenetrable model also shows the accuracy and efficiency of the present model. 展开更多
关键词 相互作用模型 分子动力学 位错动力学 颗粒边界 离散 三维 错位 模拟仿真
铜单晶循环变形饱和阶段疲劳裂纹萌生及表面区域内应力分布的模拟 预览 被引量:2
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作者 杨继红 张新平 +1 位作者 Y.W.Mai 李勇 《金属学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2005年第1期 9-14,共6页
利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察了循环变形饱和阶段Cu单晶样品中近表面区域的位错微结构.在样品边缘一些条带状或斑点状呈黑色的位错组织区,利用离散位错动力学方法模拟了该区的位错微观结构,并计算了与此位错微结构相对应... 利用扫描电镜电子通道衬度(SEM-ECC)技术观察了循环变形饱和阶段Cu单晶样品中近表面区域的位错微结构.在样品边缘一些条带状或斑点状呈黑色的位错组织区,利用离散位错动力学方法模拟了该区的位错微观结构,并计算了与此位错微结构相对应的内应力分布.模拟和计算结果表明,黑色区是内应力出现最大值区,即应力集中区,它与驻留滑移带(PSB)中的不均匀变形有关,是疲劳裂纹萌生最可能的位置.模拟和计算结果很好地解释了这一现象. 展开更多
关键词 Cu单晶 循环变形 疲劳裂纹萌生 离散位错动力学 内应力分布
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边界条件对离散位错动力学模拟疲劳cu单晶位错花样的影响 预览
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作者 杨继红 李守新 柯伟 《金属学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2003年第7期 704-710,共7页
利用二维离散位错动力学方法,研究了边界条件对计算机模拟疲劳Cu单晶位错花样的影响.结果表明:边界条件在模拟位错花样这类多体问题时是非常重要的;在其它模拟机制均完全相同的情况下,不同边界条件会形成不同的模拟结果.自由空间... 利用二维离散位错动力学方法,研究了边界条件对计算机模拟疲劳Cu单晶位错花样的影响.结果表明:边界条件在模拟位错花样这类多体问题时是非常重要的;在其它模拟机制均完全相同的情况下,不同边界条件会形成不同的模拟结果.自由空间边界条件是最简单、也是最不现实的边界条件,模拟结果与实验结果相差甚远;而一维最近邻周期性边界条件与二维近邻周期性边界条件的模拟结果基本相同,与Cu单晶早期疲劳位错花样的实验比较吻合. 展开更多
关键词 离散位错动力学 边界条件 位错花样 Cu单晶
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CYCLIC HARDENING BEHAVIOR OF POLYCRYSTALS WITH PENETRABLE GRAIN BOUNDARIES: TWO-DIMENSIONAL DISCRETE DISLOCATION DYNAMICS SIMULATION 预览
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作者 Chuantao Hou Zhenhuan Li Minsheng Huang Chaojun Ouyang 《固体力学学报:英文版》 SCIE EI 2009年第4期 295-306,共12页
由 Giessen 和裁缝( 1995 )的一种二维的分离脱臼动力学( DDD )技术,被集成一个脱臼谷物边界相互作用模型扩大了,习惯于计算联盟者分析包含微米大小的谷物的多晶体的微周期的塑料反应,与到多晶体和内在的脱臼机制的微塑料的周期的回... 由 Giessen 和裁缝( 1995 )的一种二维的分离脱臼动力学( DDD )技术,被集成一个脱臼谷物边界相互作用模型扩大了,习惯于计算联盟者分析包含微米大小的谷物的多晶体的微周期的塑料反应,与到多晶体和内在的脱臼机制的微塑料的周期的回答上的脱臼可穿透的谷物边界( GB )的重要影响的特殊注意。近这结束,在装载的简单紧张压缩下面的一个典型多晶的矩形的标本被考虑。结果显示出那,随积聚的紧张,不断的脱臼累积和提高的脱臼脱臼相互作用导致周期的变硬的周期的增加行为;然而,当在脱臼成核,通过 GB 的穿入和脱臼歼灭之中的动态平衡近似被建立时,周期的应力逐渐地趋于浸透。另外,包括谷物尺寸,周期的紧张振幅和它的历史,另外的因素也在周期的变硬和浸透上有可观的影响。 展开更多
关键词 位错动力学 循环硬化 二维离散 多晶体 动力学模拟 晶界 渗透 行为
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