一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法

本发明属于金属微观组织表征，具体涉及一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法。

背景技术：

1、对于金属材料，微观组织是影响材料性能的关键因素，通过合理控制微观组织状态可以达到实现材料预期性能的目的。自然界中大部分金属材料属于多晶材料，其中晶粒是金属材料显微组织的基本单元。通常对于金属制品，在其制造与使用过程中，受加工工艺的影响，材料内部晶粒组织特征会发生改变。无论何种金属材料，使用性能都是决定产品质量与寿命的关键因素，改善性能是金属材料可持续发展的必然趋势。

2、近年来，合金表面产生的残余压应力和梯度结构，显著提高了合金的力学性能，特别是疲劳强度。现有技术主要采用高能喷丸、激光喷丸、超声表面滚压和表面机械磨损处理(smat)等多种典型的变质处理方法来获得表面梯度结构。

3、由于材料的应力和应变与晶粒尺寸、形状、方向及其分布有关，有限元微观力学模拟需要在有限元/计算机辅助工程(cae)计算环境中建模的晶粒结构。目前有限元方法越来越多地用于多晶材料的微观力学建模。多晶有限元建模为晶粒间相互作用行为和局部变形机制提供了宝贵的见解，可作为模拟小型金属产品微成型过程的有效工具，并能够模拟组件在使用中的局部损坏过程。构建源自真实晶粒结构的有限元模型对于精确模拟至关重要。

4、通过将金相观察映射到晶粒模型，通过处理数字化图像或扫描电子显微镜(sem)/电子背散射衍射(ebsd)数据重建晶粒结构。然而，这些方法在实际应用中通常非常费时费力。

5、现在使用voronoi镶嵌模型来表示金属虚拟微观组织，因为它们提供了一种自然省时省力的解决方案来表示具有不均匀晶粒形状的晶粒结构。但是voronoi镶嵌模型，受控参数较少且表示晶粒比较随机，不能很好的贴合实际晶粒模型。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法。本发明涉及一种新的表征金属微观组织的方法，在voronoi镶嵌模型来表示金属虚拟微观组织的基础上，对传统的voronoi镶嵌模型赋予晶粒尺寸，晶粒规则度，晶界宽度，晶粒长宽比系数等控制参数，根据实际需要，来控制生成金属虚拟微观组织，该受控金属虚拟微观组织应用于有限元微观力学模型仿真。

2、本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，在voronoi镶嵌模型的基础上，通过赋予不同的控制参数可以得到三种不同的晶粒模型，然后对该晶粒模型赋予晶界，得到有界的晶粒模型。

4、三种不同的晶粒模型为：

5、(1)对晶粒模型赋予不同的规则度获得晶粒尺寸分布为不同泊松曲线的等轴晶晶粒模型；

6、(2)对晶粒赋予更高的晶粒长宽比系数，可以得到柱状晶模型；

7、(3)对不同区域的晶粒赋予不同的晶粒长宽比系数，可以得到过渡结构晶粒模型；

8、本发明方法具体步骤如下：

9、s1、生成一个矩形区域ω，将矩形区域ω划分为n个边长相同且连续的正六边形

10、s2、提取全部正六边形的中心，对正六边形的中心进行不同程度的偏移，得到一个离散点集

11、s3、基于离散点集为质心进行voronoi划分，划分的每一个凸包多边形代表为一个晶粒，此时获得等轴晶晶粒模型；

12、s4、在等轴晶晶粒模型的基础上，对晶粒赋予晶粒长宽比系数k，(k＝10，15，20......)，此时获得柱状晶晶粒模型；

13、s5、在等轴晶晶粒模型的基础上，对不同区域的晶粒赋予不同的晶粒长宽比系数，可以得到过渡结构晶粒模型，具体操作如下：

14、把矩形区域ω分为区域1，区域2，区域3三个依次相连的矩形区域，分别用符号ω1，ω2，ω3表示；

15、判断全部晶粒的端点p(x，y)在ω1，ω2，ω3中的哪一个区域，根据晶粒端点p在不同的区域位置，改变p点的坐标；

16、找到因为改变晶粒端点坐标而失去凸包特性的晶粒，再对失去凸包特性的晶粒的端点就行修改恢复晶粒的凸包特性；

17、s6、在上述三种晶粒模型中，抑制晶粒中小于0.001mm的边的生成；

18、s7、对晶粒模型中晶粒的每条边赋予宽度，使之成为晶界。

19、与现有技术相比，本发明在voronoi镶嵌模型来表示金属虚拟微观组织的基础上，对传统的voronoi镶嵌模型赋予晶粒尺寸，晶粒规则度，晶界宽度，晶粒长宽比系数等控制参数，根据实际需要，来控制生成金属虚拟微观组织，很好的贴合实际晶粒模型。

技术特征：

1.一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述方法以voronoi镶嵌模型作为基础的晶粒模型，对晶粒模型赋予不同的规则度获得晶粒尺寸分布为不同泊松曲线的等轴晶晶粒模型；在等轴晶晶粒模型的基础上，对晶粒赋予更高的晶粒长宽比系数得到柱状晶模型；在等轴晶晶粒模型的基础上，将区域进行划分，然后对不同区域的晶粒赋予不同的晶粒长宽比系数，得到过渡结构晶粒模型；对上述三种晶粒模型赋予晶界，得到有界的晶粒模型。

2.根据权利要求1所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述s2具体步骤如下：

4.根据权利要求2所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，，所述s4具体步骤如下：

5.根据权利要求2所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述5-2具体步骤如下：

6.根据权利要求5所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述5-3中失去凸包特性的晶粒为同时位于区域1和区域2或同时位于区域2和区域3的部分晶粒；

7.根据权利要求2所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述s6具体为：删除晶粒中小于0.001mm的边，延长相应的邻边，使之相交，重新生成一个闭合的晶粒，重新计算晶粒的端点。

8.根据权利要求2所述的一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，其特征在于，所述s7具体为：

技术总结
本发明公开了一种受控金属虚拟微观组织模拟生成方法，以Voronoi镶嵌模型作为基础的晶粒模型，对金属材料的晶粒区域赋予不同的控制参数，对晶粒模型赋予不同的规则度获得晶粒尺寸分布为不同泊松曲线的等轴晶晶粒模型；在等轴晶晶粒模型的基础上，对晶粒赋予更高的晶粒长宽比系数得到柱状晶模型；在等轴晶晶粒模型的基础上，将区域进行划分，然后对不同区域的晶粒赋予不同的晶粒长宽比系数，得到过渡结构晶粒模型；对上述三种晶粒模型赋予晶界，得到有界的晶粒模型。本发明对传统的Voronoi镶嵌模型赋予晶粒尺寸，晶粒规则度，晶界宽度，晶粒长宽比系数等控制参数，根据实际需要，来控制生成金属虚拟微观组织，很好的贴合实际晶粒模型。

技术研发人员：胡贇,陈奥,刘永青,王有权
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15