本书聚焦金属塑性成形过程中构件和材料的宏观、细观及微观变形机理，面向多尺度及其耦合建模仿真需求，凝练了宏观内变量建模、细观晶体塑性建模、微观元胞自动机及位错动力学建模、宏细微多尺度耦合及跨尺度均匀化建模的理论与方法；针对钛合金非等温变形、铝合金电磁成形、高温合金滚压成形等工艺过程，建立了多尺度模型，探讨了变形织构/组织演化、微观裂纹演化，以及电、磁、声等能场作用机理等关键问题，并进一步提出了面向上述工艺过程实施形性调控的方法与技术。

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"多能场塑性成形的多尺度变形机制与协同调控"，陕西省自然科学一等奖，2020年，排名第1。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 高性能塑性成形及其面临的挑战 2
1.3 塑性成形材料多尺度变形响应特征 6
1.4 塑性成形多尺度建模理论、方法与挑战 9
1.5 本书内容框架 14
1.6 本章小结 15
参考文献 15
第2章 多尺度建模仿真的理论与方法基础 19
2.1 引言 19
2.2 连续介质力学理论基础 20
2.3 弹塑性本构理论基础 23
2.4 宏观本构建模理论基础 24
2.5 内变量法基本方程 27
2.6 晶体塑性理论基础 28
2.6.1 晶体塑性理论基本理念 28
2.6.2 晶体变形几何学、运动学与动力学 29
2.6.3 率相关滑移模型与晶体塑性本构方程 31
2.7 位错动力学建模理论基础 32
2.8 微观组织演化可视化建模理论基础 34
2.9 多尺度均匀化方法 36
2.9.1 连续型多尺度建模方法 36
2.9.2 半连续型多尺度建模方法 38
2.9.3 非连续型多尺度建模方法 38
2.10 人工神经网络基本方法 39
2.10.1 人工神经网络的特点与分类 39
2.10.2 BP神经网络 40
2.10.3 Levenberg-Marquardt优化算法 41
2.11 张量运算基础理论 43
2.11.1 矢量运算 43
2.11.2 张量运算 44
2.12 有限元方法理论基础 45
2.12.1 显式有限元求解方法 45
2.12.2 Abaqus软件的材料用户子程序接口 48
2.13 本章小结 51
参考文献 51
第3章 宏微耦合内变量法本构建模及钛合金非等温变形应用 52
3.1 引言 52
3.2 耦合组织演变的内变量法本构基本框架 53
3.2.1 钛合金非等温变形的基本特征 53
3.2.2 内变量法本构模型基本框架 53
3.2.3 构成相的流动法则和硬化法则建模 56
3.3 钛合金非等温变形的组织演化建模 57
3.3.1 初生α相扩散生长建模 57
3.3.2 次生α相形核与扩散生长建模 60
3.3.3 变形作用下次生相形态演化建模 62
3.3.4 变形作用下构成相的位错密度演化建模 64
3.4 模型的数值化与参数求解方法 65
3.5 基于内变量法的两相钛合金非等温变形宏微观响应预测 68
3.5.1 非等温路径条件下钛合金变形组织演变预测 68
3.5.2 非等温路径条件下的宏观流动应力预测 71
3.6 本章小结 72
参考文献 73
第4章 宽应变率载流变形统一内变量本构建模及铝合金电磁成形应用 75
4.1 引言 75
4.2 铝合金电磁成形特征定量分析 76
4.2.1 电磁成形及其特征效应 76
4.2.2 高速变形效应下的宏观应力响应与微观组织演化 77
4.2.3 感生涡流效应下的宏观变形响应与断口形貌演化 83
4.3 高速变形微观耦合内变量本构建模 85
4.3.1 内变量本构建模基本框架 85
4.3.2 热激活应力建模 86
4.3.3 非热激活应力建模 90
4.3.4 模型参数确定与可靠性验证 94
4.3.5 模型验证 97
4.4 感生涡流致流动应力软化内变量法建模 101
4.4.1 应力降与电致塑性能量密度和应变的关系 102
4.4.2 应变率对应力降的影响表征 103
4.5 基于铝合金电磁胀环成形的模型分析 105
4.5.1 环件应变率和温度演变的预测分析 105
4.5.2 环件应力响应的预测分析 107
4.5.3 环件截面尺寸影响的预测分析 110
4.6 铝合金大型构件电磁渐进成形规律预测 111
4.6.1 铝合金大型构件电磁渐进成形有限元建模 112
4.6.2 大型构件多道次电磁渐进成形预测 115
4.6.3 电磁渐进成形质量的关键影响因素及影响规律 116
4.6.4 基于宏微观成形质量指标的工艺优选 119
4.6.5 试验验证 121
4.7 本章小结 122
参考文献 122
第5章 细观晶体塑性显隐式模型构建及织构演化预测 125
5.1 引言 125
5.2 晶体塑性隐式模型 126
5.2.1 以应力分量为主变量的模型 129
5.2.2 以滑移系剪应变增量为主变量的模型 130
5.3 晶体塑性隐式模型求解的同伦延拓算法 131
5.3.1 同伦延拓算法的构造 131
5.3.2 同伦延拓算法关键问题的处理 132
5.3.3 以应力分量为主变量的隐式模型数值化步骤 135
5.3.4 以滑移系剪应变增量为主变量的隐式模型数值化步骤 135
5.3.5 可靠性验证 137
5.4 晶体塑性显式模型 141
5.4.1 基于泰勒级数展开法的显式模型 141
5.4.2 显式模型的数值化步骤 142
5.4.3 可靠性验证 144
5.5 多晶体塑性建模及其关键技术 145
5.5.1 泰勒型多晶体塑性模型 145
5.5.2 晶体塑性有限元模型 146
5.5.3 晶体坐标系更新和并行运算 146
5.5.4 多晶体塑性模型的可靠性与效率验证 148
5.6 晶体塑性模型在变形织构预测中的应用 151
5.7 本章小结 153
参考文献 154
第6章 电热力耦合晶体塑性建模与电流热/非热效应分析 155
6.1 引言 155
6.2 脉冲电流的作用规律与细微观机制 156
6.3 电热力耦合晶体塑性建模 162
6.4 电热力耦合模型的数值化与验证 168
6.4.1 电流辅助三维晶体塑性有限元模型及其数值化 168
6.4.2 模型参数校核 171
6.4.3 模型验证 174
6.5 电流热/非热效应解耦分析及作用于材料变形的规律 175
6.5.1 解耦热/非热效应的新方法 175
6.5.2 电流非热效应导致的应力差分析 176
6.5.3 电流局部焦耳热效应导致的应力差分析 177
6.5.4 电流热/非热效应作用于材料变形的规律 177
6.6 本章小结 182
参考文献 183
第7章 不均匀声塑性效应定量表征与超声场-变形场耦合建模 185
7.1 引言 185
7.2 超声作用下的不均匀声塑性效应 185
7.2.1 声软化和残余软化效应 185
7.2.2 超声辅助拉伸声塑性效应的不均匀分布 187
7.2.3 复杂截面构件变形中声塑性效应的动态变化 187
7.2.4 不均匀声塑性效应理论 190
7.3 不均匀声塑性效应的微观机制 191
7.3.1 晶粒转动协调变形机制 191
7.3.2 位错激活和滑移促进机制 193
7.3.3 梯度细化晶粒机制 194
7.3.4 微观机制的原理分析 196
7.4 不均匀声塑性效应的定量表征与耦合建模 197
7.4.1 声能密度概念的提出 197
7.4.2 声能密度-位错密度关系与声塑性本构关系 199
7.4.3 超声场与变形场顺序耦合有限元建模 202
7.5 模型的参数确定与验证 205
7.5.1 模型参数确定及可靠性验证 205
7.5.2 顺序耦合模型中循环步长的确定 208
7.6 顺序耦合模型在超声辅助变形中的应用 209
7.6.1 超声辅助拉伸不均匀变形行为分析 209
7.6.2 超声辅助W弯曲局部软化行为分析 211
7.6.3 超声辅助滚压成形W截面薄壁环件规律分析 214
7.7 本章小结 222
参考文献 223
第8章 材料微观组织定量分析与基于真实组织的数值建模 225
8.1 引言 225
8.2 材料微观组织定量分析方法 226
8.2.1 材料微观组织图像处理方法 226
8.2.2 材料复杂黏连组织自动分割方法 230
8.2.3 材料特征组织的自动识别方法 234
8.2.4 材料微观组织形态及分布的定量分析方法 235
8.3 基于真实微观组织的有限元几何建模 239
8.3.1 包含钛合金特征相的二维有限元几何建模 239
8.3.2 包含钛合金晶界的三维有限元几何建模 240
8.3.3 周期性边界条件的施加 243
8.3.4 RVE模型应力-应变响应的宏观均匀化 245
8.4 材料微观组织的本构建模与变形分析 245
8.4.1 针对微观组织特征相的本构建模 245
8.4.2 钛合金微观组织变形机制与规律预测 256
8.4.3 针对晶粒和晶界的细微观本构建模 259
8.4.4 钛合金晶界变形损伤机制与规律预测 263
8.5 本章小结 268
参考文献 268
第9章 材料微观组织损伤断裂建模与断裂韧性分析 270
9.1 引言 270
9.2 整体建模思路 271
9.3 耦合损伤演化的钛合金三态组织本构建模 272
9.3.1 耦合损伤演化的特征相本构方程 272
9.3.2 特征相损伤演化方程参数的确定 274
9.3.3 钛合金三态组织变形-损伤过程的均匀化应力响应 276
9.4 钛合金三态组织裂纹扩展有限元建模 277
9.4.1 内嵌钛合金三态组织的几何建模 277
9.4.2 加载条件与微观裂纹扩展准则 280
9.4.3 模型可靠性验证 280
9.4.4 钛合金三态组织的断裂韧性计算方法 282
9.5 钛合金三态组织裂纹扩展特征与断裂韧性模拟分析 284
9.5.1 三态组织微观裂纹扩展特征 284
9.5.2 特征相对微观裂纹扩展行为的作用机制 292
9.5.3 三态组织特征对断裂韧性的影响机制 296
9.6 本章小结 300
参考文献 301
第10章 材料保载疲劳的位错动力学建模与微观机制分析 303
10.1 引言 303
10.2 传统位错动力学模型的局限性分析 304
10.3 引入位错热激活逃逸机制的离散位错动力学建模 305
10.3.1 位错热激活逃逸机制及其定量表征 305
10.3.2 位错-晶界交互作用机制及其定量表征 309
10.3.3 大跨度双循环时间步高效求解算法 310
10.4 钛合金保载疲劳的离散位错动力学模型预测与对比分析 311
10.4.1 与Stroh裂纹萌生理论模型的对比分析 311
10.4.2 与常规疲劳响应的对比分析 314
10.5 考虑位错-界面交互作用的钛合金保载疲劳机制与规律 316
10.6 本章小结 318
参考文献 319
第11章 材料变形与组织演化的宏细微多尺度全耦合建模仿真 320
11.1 引言 320
11.2 材料细微观变形与动态再结晶双向全耦合建模思路 321
11.3 晶体塑性有限元与元胞自动机全耦合建模方法 322
11.3.1 初始组织生成的元胞自动机建模 322
11.3.2 基于位错密度的晶体塑性本构建模 326
11.3.3 基于共用网格与双向信息传递的动态再结晶三维元胞机建模 330
11.4 元胞机晶体塑性有限元全耦合模型的数值化 335
11.4.1 基于材料微观组织的RVE 335
11.4.2 模型数值化流程 336
11.4.3 模型参数确定 337
11.4.4 模型可靠性验证 339
11.5 钛合金细微观变形与动态再结晶耦合作用机理及规律 341
11.5.1 钛合金材料变形细观力学响应 341
11.5.2 钛合金动态再结晶形核与长大 342
11.5.3 钛合金细微观变形与组织演化的耦合作用 345
11.6 本章小结 348
参考文献 348
第12章 构件成形的宏细微跨尺度均匀化建模仿真 351
12.1 引言 351
12.2 构件成形宏细微跨尺度建模思路 351
12.3 跨尺度建模方法 354
12.3.1 基于CACPFEM的大型数据库创建 354
12.3.2 基于人工神经网络的宏细微本构建模 355
12.3.3 基于有限元的宏观构件预测 359
12.3.4 基于宏观变形信息的细微观组织演化预测 360
12.4 跨尺度模型的分阶层多级优化方法 361
12.4.1 神经网络学习优化(Ⅰ级优化) 361
12.4.2 宏观有限元试预测优化(Ⅱ级优化) 362
12.4.3 宏细微跨尺度误差对照优化(Ⅲ级优化) 364
12.5 跨尺度模型的数值化流程 369
12.6 钛合金构件成形与组织演化的跨尺度规律 371
12.6.1 构件宏观成形与细微观非均质变形规律 371
12.6.2 构件宏细微力学响应预测 373
12.6.3 构件宏细微动态再结晶规律 375
12.7 本章小结 379
参考文献 379