Mesoscale simulations of discrete defects in metals provide an ideal framework to investigate the micro-scale mechanisms governing the plastic deformation under high thermal and mechanical loading conditions. To bridge size and time-scale while limiting computational effort, typically the concept of representative volume elements (RVEs) is employed. This approach considers the microstructure evolution in a volume that is representative of the overall material behavior. However, in settings with complex thermal and mechanical loading histories careful consideration of the impact of modeling constraints in terms of time scale and simulation domain on predicted results is required. We address the representation of heterogeneous dislocation structure formation in simulation volumes using the example of residual stress formation during cool-down of laser powder-bed fusion (LPBF) of AISI 316L stainless steel. This is achieved by a series of large-scale three-dimensional discrete dislocation dynamics (DDD) simulations assisted by thermo-mechanical finite element modeling of the LPBF process. Our results show that insufficient size of periodic simulation domains can result in dislocation patterns that reflect the boundaries of the primary cell. More pronounced dislocation interaction observed for larger domains highlight the significance of simulation domain constraints for predicting mechanical properties. We formulate criteria that characterize representative volume elements by capturing the conformity of the dislocation structure to the bulk material. This work provides a basis for future investigations of heterogeneous microstructure formation in mesoscale simulations of bulk material behavior.


翻译:金属离散缺陷的模拟模拟为调查在高热和机械装载条件下塑料变形的微尺度机制提供了一个理想的框架。为了在限制计算努力的同时弥合大小和时间尺度,通常采用代表性体积元素的概念。这种方法考虑到代表整体物质行为体积的微结构演变。然而,在具有复杂的热和机械负荷历史的环境中,需要仔细考虑模拟在时间尺度和模拟域方面受限对预测结果的影响。我们用AISI 316L不锈钢激光粉状聚变冷降温期间残余压力形成的例子,来解决模拟体积中各种变异结构形成的表现。这是通过一系列大型三维离散动力模拟来达到的。由热和机械化的有限要素建模所辅助的大型三维离散动力(DDD)模拟。我们的结果显示,定期模拟区的规模不足可能导致反映主要细胞的界限。观察到的更明显的错位相互作用突出了模拟区在模拟领域对模拟体积质聚变积聚(LPBF)聚融融融融过程中产生的残留压力的重要性。这是通过一系列三维分分离的模拟体结构模拟体积结构来预测未来结构结构。我们制定了一个模拟体积体积体积材料变形结构。</s>

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