Damask 2.0.3联合abaqus进行晶体塑性有限元模拟的简单介绍 原创

    Damask2.0.3版本是最后一个和Abaqus有接口的版本，在Damask2.0.3的官网中已经进行了声明，目前最新的版本已经不支持和Abaqus联合使用。但是Damask和abaqus联合使用仍然是学习晶体塑性有限元方法不错的工具。我曾使用过Abaqus联合damask平台，这里我对使用过程中个人的一点经验进行简单的介绍，希望各位读者在研究过程中少一些技术上的障碍。

1.软件安装

    Damask软件的安装较为复杂，我那时候是在某鱼上找人安装的，使用的是Ubuntu18.04，Abaqus版本是2018。目前VMware Workstation可以方便的将系统导出为ovf格式，便于安装，有需要的可以联系我。

2.使用介绍

    关于damask2.0.3联合abaqus的入门使用，我这里直接用一个简单的例子来介绍。首先在Neper中生成一个1×1×1的三维立方体晶体模型，共200个晶粒：

	neper -T -n 200 -dim 3 -domain "cube(1,1,1)" -oriformat plain -oridescriptor euler-bunge -o Jiahe1

    如果想输出晶粒的等效直径，可以加上-statcell diameq命令，会自动生成一个文件存储所有晶粒的等效直径。

    然后划分网格并生成inp文件，共有9261个单元：

	neper -M Jiahe1.tess -rcl 1.3 -elttype hex -interface continuous -format inp -o abq_input

    关于网格划分需要注意，damask2.0.3联合abaqus只支持部分单元类型（CPE4，CPE8，C3D4，C3D6，C3D8，C3D8R，C3D20，C3D20R），即不支持四边形单元和四面体单元。Segurado教授曾在自己的著作（Computational Homogenization of Polycrystals）中表示，这样将导致晶界呈阶梯状表面，不适合于模拟局限于晶界的现象，如晶界滑动。

    Damask2.0.3联合abaqus运行需要3个必要文件，abaqus_v6.env，*.inp和material.config。abaqus_v6.env用于配置DAMASK与Abaqus联合使用时的环境设置文件，一般不需要修改。

    从neper导出inp文件后，需要对该inp文件进行前处理，为每一个晶粒建立单独的材料并输入材料参数。这里基于Neper2Abaqus进行修改，采用Matlab进行前处理。

    本例采用一种Al合金材料，FCC结构，在Matlab命令行中运行：

    neper2abq('Al__')

    其中Al是输入文件的名称。在名称末尾需要包含双下划线。运行此函数将生成4个文件：Al_materials.inp，Al_sections.inp，Al_Microstructure_ElementHomogeneous.config，Al_Texture_Gauss.config。

    将Neper生成的inp文件与本函数生成的两个inp文件放在同一文件夹中。然后打开Neper生成的inp文件，在文件末尾进行如下修改：

     在*End Part之前添加：

    *Include, Input = Al_sections.inp

     在*End Part之后添加：

    *Include, Input = Al_materials.inp

     此输入文件即可以导入Abaqus，包含所有材料和截面信息。每一个晶粒采用一个材料属性，每一种材料有两个力学常数，第一个力学常数代表需要使用的均匀化法则，第二个力学常数代表需要使用的微观组织。Al_Microstructure_ElementHomogeneous.config和Al_Texture_Gauss.config属于material.config，material.config主要包含Homogenization，Microstructure，Crystallite，Phase和Texture。Homogenization部分用于选择所采用的均匀化法则；Crystallite部分用于输出与所选本构关系无关的晶体学量；Phase部分用于选择材料的本构关系，包括材料参数的输入和与所选本构关系相关的晶体学量的输出；Texture部分用于指定晶粒的取向；Microstructure部分表示材料所采用的微观组织，主要包括每个晶粒的crystallite，phase和texture。一般情况下由于晶粒数目较多，Microstructure部分和Texture部分较长，为了增强代码的可读性，通常将Microstructure部分和Texture部分单独生成为两个配置文件。这部分内容在官网中有详细介绍（https://damask2.mpie.de/bin/view/Documentation/MaterialConfig.html），这里不再过多说明。

    至此，我们就准备好了所需要的abaqus_v6.env，inp文件和material.config，在inp文件中添加边界条件，这里采用EasyPBC施加了一个单轴拉伸的位移边界条件，如下图所示：

    运行作业时在终端输入：

	abaqus job=JiaHe1 user=/home/cpfem/damask-2.0.3/src/DAMASK_abaqus.f interactive

    即可运行作业，可以通过.sta文件查看作业进程。以下是计算结果：应力云图（Pa）和力位移曲线，本例的所有计算文件附在文末。

    对于本例中所采用的现象学晶体塑性本构关系，共有114个状态变量，分别如下：

SDV1：HomogenizationCount

SDV2：GrainCount

SDV3：CrystalliteCount

SDV4~7：quaternion（取向四元数）

SDV8~11：deviation from initial orientation as axis (1-3) and angle in degree (4) in crystal reference coordinates（晶体参考坐标系中与初始取向的偏差（以轴（1-3）和角度（4）为单位））

SDV12~20：f，deformation gradient tensor（变形梯度张量）

SDV21~29：fe，elastic deformation gradient tensor（弹性变形梯度张量）

SDV30~38：fp，plastic deformation gradient tensor（塑性变形梯度张量）

SDV39~47：p，first Piola-Kichhoff stress tensor（第一Piola-Kichhoff应力张量）

SDV48~56：s，second Piola-Kichhoff stress tensor（第二Piola-Kichhoff应力张量）

SDV57-65：lp，plastic velocity gradient tensor（塑性速度梯度张量）

SDV66：ConstitutiveCount

SDV67~78：resistance_slip（滑移系阻力）

SDV79~90：shearrate_slip（滑移系剪切应变率）

SDV91~102：resolvedstress_slip（滑移系临界分切应力）

SDV103~114：accumulatedshear_slip（滑移系累积剪应变）

3.其他说明

（1）在终端输入

  abq_addUserOutput -m 114 JiaHe1.inp

可以直接修改inp文件的状态变量个数。

（2）在终端输入

  abq_addUserOutput --homogenization 1 --crystallite 1 --phase 1 JiaHe1.inp

可将material.config中请求的输出变量传输到Abaqus输入文件（*.inp），但是需要预先运行作业，将会在inp文件中生成正确的状态变量数量并命名。如下图所示：

（3）可以将Damask编译成一个库，这样就不必为每个作业编译子程序。我曾经做过尝试，但是没有成功，详见官网https://damask2.mpie.de/bin/view/Installation/Abaqus.html

（4）Damask2.0.3联合Abaqus最大的问题是不支持使用 Abaqus 并行化。DAMASK2.0.3官网声明可以使用OpenMP进行内部并行化，通过环境变量 $DAMASK_NUM_THREADS 设置 DAMASK 要使用的线程数，大家可以试一下。

	export DAMASK_NUM_THREADS=8
	echo $DAMASK_NUM_THREADS

    我曾经做过尝试，OpenMP内部并行对计算速度的增加聊胜于无。

    这里附上计算文件：