黄永刚晶体塑性UMAT子程序相关教学
2026年7月27日 23:17浏览：1353
FCC/BCC
改成
HCP
黄永刚本构模型适用于
立方晶体，
FCC/BCC
，
由于三个轴是相互正交的，
通过输入三指数
来描述，
(
hkl
)
用于晶面，
[
uvw
]
用于晶向
在黄永刚的
UMAT
中可以根据输入的三指数
，
自动
生成所有的滑移
方向
和滑移面法向
。
但是
该代码不适用于密排六方的本构晶体。
对于密排六方晶体（
HCP
）结构，滑移面和滑移方向通常采用四指数法来描述：
(
hkil
)
用于晶面
，
[
uvtw
]
用于晶向
本教学提供基于输入的四指数自动生成所有滑移方向和滑移面法向的代码，适用于
HCP
的晶体塑性计算
，并提供材料参数说明。
加
JC
本构
Johnson-Cook
本构模型用于描述材料在动态载荷下的本构行为，其核心思想在于材料的流动应力取决于塑性应变、应变率和温度三者耦合作用。可以在黄永刚晶体塑性的
UMAT
中加入
JC
本构模型，使该本构模型考虑应变率硬化和温度软化。
修改方法在于修改硬化模型，其硬化
模量计算公式如下：
上述模型中前两项为
Bassani
硬化模型，黄永刚程序里有
，第三项为
JC
本构中的应变率硬化和温度软化项
。修改后的本构计算效果如下图所示。
图
1
本构模型应力
-
应变曲线，
(a)
单晶压缩模型，
(b)
不同应变率、温度的应力应变曲线
Voronoi
多晶结构
进行材料
随机取向
赋值脚本
晶体塑性本构用于描述单晶的行为，然而大多数材料是由多晶构成的，采用晶体塑性
UMATs
进行多晶的仿真，可以借助
Voronoi
多晶模型，即生成具有
多晶结构的代表性体积单元
、模型
。
如下图所示。
图
2
多晶结构的代表性体积单元、模型
当晶粒较多时，
采用人工给不同晶粒逐一设置材料取向信息过程繁琐，可以采用脚本进行取向赋值，脚本支持随机取向或者具有织构的取向。脚本演示如下。
在滑移的基础上考虑孪晶系
在传统晶体塑性理论中，除了常规滑移变形外，还引入孪晶作为另一种独立的塑性机制
。当考虑了孪晶后，模型变为：
这类模型还可以拓展为
形状记忆合金相变
+
塑性的
晶体塑性本构
。
修改
VUMAT
UMAT
主要应用于隐式分析，而对于大变形接触问题，隐式分析往往计算效率较低。对于接触、碰撞、冲击等问题采用
VUMAT
往往具有更高的计算效率和收敛速度。
可以将
UMATs
修改为
VUMAT
，用于隐式分析。
本教学提供修改方法、代码及案例。
添加
损伤本构
晶体在滑移
的
作用下如何产生永久变形。
采用黄勇刚晶体塑性本构可以模拟出晶体在恒定载荷下产生的蠕变。由于塑性变形
进一步地会出现刚度下降，承载力下降的情况。标准的晶体塑性模型，无法描述这一现象，
但如果
在此基础上引入连续损伤本构模型，定义损伤因子
，并将连续损伤因子
与切应力关联，
可以
实现对材料损伤的仿真。
其
建模
思路如下图所示：
图
3
晶体塑性蠕变损伤本构建模思路
添加背应力
背应力是描述运动硬化和
包辛格效应
的关键机制，
背应力演化公式：
其中，
是第
个滑移系的背应力变化率。
添加背应力前后，循环曲线如下图所示：
添加蠕变和损伤
蠕变模型公式：
第一项：纯蠕变贡献，第二项，损伤耦合贡献
。
添加蠕变前后，计算的位移
-
时间曲线如下：
另外，该模型也可以用于计算晶体塑性低周疲劳，
载荷谱及计算结果如
下
图所示：
（
不考虑蠕变
）
（
考虑蠕变
）
晶体塑性
损伤
+
单元删除切削
案例
上述
（
1
）
-
（
9
）的
修改可以
根据用户的材料特性，科研需求，
组合定制本构子程序，可以提供教学
+
代码
+
案例
，或者单独提供代码
+
案例
。
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