金属增材制造零件的微观结构特征

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概述

Simpleware 软件可以为用于分析的微观结构 RVE(代表性体积单元)生成高质量的非结构网格。软件中的多标签掩模功能可以很轻易将提供的晶粒标签转换为与有限元兼容的网格。针对完全不同尺寸/形状的晶粒,当其他网格划分软件不能生成网格时,Simpleware 软件依然能够在对晶粒进行网格划分的同时尽量保持最低的单元数量。通过非结构化网格捕捉微观结构中晶粒的平滑特征对于准确预测晶粒内的应力/应变至关重要。


亮点

  • 发展一种了解通过粉末增材制造(PAM)工艺生产出 AM 零件力学性能和缺陷的新方法。
  • 使用 Simpleware 软件对合成数据进行分割和网格化,生成非结构、局部递减的 FE 网格。
  • 使用 SIMULIA Abaqus 软件对(Simpleware产生的)六面体和四面体网格进行模拟
  • Simpleware 软件生成的四面体网格比结构化网格更能精确地描述晶界

介绍

基于金属粉末的增材制造(PAM)工艺通常会产生不同晶粒尺寸和长径比的微观结构,从而影响材料的力学性能。这项研究旨在基于 Simpleware 软件更好地表征工作流程中微观结构内部的局部颗粒应力场。本研究建立在以往基于晶体塑性的微观结构信息模型的本构模型基础上。这项工作是基于数值生成的合成微观结构代表性体积单元(RVE)。

当采用立方六面体单元对样品 RVE(结构化网格)进行离散化时,由于台阶面的存在而没有足够的分辨率捕捉晶界。使用Simpleware 软件开发的新模型通过生成光滑、严密和多域的体积有限元(FE)网格则解决了这个问题,确保能够准确捕捉晶界。

图:比较晶粒一致性界面的:Simpleware 网格化结果(左)和有明显空隙的结构化网格(右)

然后将新的非结构化网格 RVE 结果与之前使用结构化网格 RVE 的结果进行比较,同时依据模拟时间和预测的 RVE 力学性能判断新方法的有效性。这种新方法能够在晶界附近更好地捕捉局部应力强化,有助于预测材料中缺陷和空洞的形成,以便将来能够更好地了解使用 PAM 生产复杂零件的性能。

 合成微观结构到FE网格

生成的合成微观结构 RVE 用来模拟三维区域内的晶粒演变。将矩阵数据转换为包含灰度值等同于晶粒标签的位图体素图像,然后导入 Simpleware ScanIP 中进行处理。分割合成数据并创建每个晶粒的表面表示,然后导出为面网格和体积网格。结构化六面体网格的一个问题就是“阶梯”效应,会导致模型精度降低。在新模型中,通过 Simpleware 的 anti-alias 和平滑工具即可解决这个问题,确保沿晶界处的轮廓平滑。

与结构化网格相比,使用 Simpleware FE 模块生成的 Simpleware 网格在合适的分辨率下能够更好的捕捉小晶粒的尺寸。此外,在应用多部分表面抽取算法和四面体单元的 Delaunay 细分曲面之前,Simpleware 的网格划分算法会将分割的边界转换为三角形曲面表示。非均匀的网格划分方案可以更准确地描述晶粒几何结构,同时也降低了模型的总自由度。在不显著影响结果质量的情况下降低计算成本。

图:20 万个 10 节点四面体单元的非结构化 Simpleware 网格,自由度为~ 70 万(左),20节点方砖单元的 40x40x40 网格,自由度为~ 81万(右)

FE 模拟和结果

基于微观结构信息的本构模型,将特定的边界条件和本构模型定义添加到网格中。在 Abaqus / Standard 中对 RVE 试样施加单轴拉伸载荷,利用文献中的性质进行模拟。使用不同的方程表示晶粒形状,同时在 RVE 的所有外表面强制施加周期性边界条件,从而定义了本构模型的性质。

新的工作流程通过使用结构化和六面体网格运行一个具有单个晶粒的 RVE 作为测试案例。采用相同的材料属性、晶粒取向、载荷和边界条件以及尺寸。结果表明,加载方向均匀的正应力-应变行为产生了相同的结果。然后使用多晶材料的 RVE 测试非结构化网格的精度。

图:使用六面体和四面体 FE 网格的微观结构 RVE 的均匀化应力应变行为:四面体网格比六面体网格更能捕获小晶粒

模拟结果显示,基于本构模型中的晶粒取向和非结构网格中应力集中效应的更详细捕获,结果存在差异。这些结果是由于六面体网格使用相同的单元尺寸,忽略了模型中的一些小区域以节省计算成本,从而导致晶粒特征(如体积、尺寸和形状)的错误表述。此外,该网格引入了人工应力强化。相比之下,四面体网格由于能够捕捉几何体中的锐角而显示出晶粒中的最高应力。

图:RVE微观结构中两个选定晶粒的Mises应力轮廓:Simpleware四面体网格(左)比结构化网格(右)更准确地捕捉晶界

 结论

与以往的结构化模型相比,本项目中使用 Simpleware 软件为 PAM 生成了更精确的 RVE 网格,有助于更好地理解晶粒内部的局部应力场。虽然在均质化行为上是一致的,但非结构化网格在局部应力测定的结果中表现出显着差异,采用精良改进的非结构化网格能够使测定更加精确。未来的工作将侧重于加强对晶粒取向分布差异的分析和测试 AM 生产出的微观结构验证形状效应、长宽比、晶界效应、载荷方向和材料点。


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  • 关于此案例的参考文献、邀请报告和致谢信息请参考厂商原文:
    • https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/microstructure.html

 

 
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