采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展

系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状。实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程。最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展。     

基于元胞自动机法模拟凝固过程微观组织的研究进展

元胞自动机法是一种模拟金属凝固过程微观组织的有效方法,是目前的研究热点,具有广阔的应用前景。对比了元胞自动机法与通常所用相场法的区别,综述了近年来用元胞自动机法模拟合金凝固微观组织的国内外研究现状,分析了当前急待解决的主要问题,并指出了今后的发展方向。     

焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟

应用元胞自动机方法进行了焊缝金属凝固组织的模拟.所建立的焊缝凝固组织二维元胞自动机模型考虑了晶粒的概率性成核、曲率过冷、温度过冷、成分过冷、潜热的释放、溶质浓度的再分布以及焊接熔池晶粒的联生长大等影响因素.模型在统一网格下分别采用差分法计算温度和溶质的扩散,应用元胞自动机方法模拟晶粒形核及生长.模拟结果能够定性地再现焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制.结果表明,元胞自动机方法较好地反映了焊缝金属凝固的特点,是焊缝凝固组织模拟的新途径.     

焊接接头微观组织模拟方法研究进展

对近年来计算机技术在焊接接头微观组织模板方面的研究进展做了较全面的评述，重点介绍了国内外利用蒙特卡罗模拟方法和元胞自动机法模拟焊接接头微观组织晶粒长大所取得的成果，并且提出了目前研究中存在的问题及其今后的主要发展方向。     

一种改进的模拟凝固微观组织的宏微观耦合模型

按照复杂性研究思想，将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合，建立了模拟凝固微观组织演变的宏微观耦合模型Micros CA-Solidification。与原有元胞自动机模型相比，该模型考虑了溶质再分配和液相中溶质扩散机制，考虑了成分过冷、曲率过冷及界面各向异性对枝晶尖端局部过冷度和界面平衡温度的影响，可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变。     

DZ125高温合金定向凝固微观组织的CA法模拟

采用伪二元相图法对DZ125多元合金进行了简化,并用二维Cellular Automaton(CA)法模拟了合金定向凝固微观组织.通过采用不均匀连续形核模型,在考虑到枝晶生长动力学的基础上,模拟了不同抽拉速度下合金定向凝固组织形貌,枝晶界面形态以及一次枝晶间距的变化,说明树枝晶竞争生长中存在"分枝"与"淹没"的机制;并且随凝固速率的增加,合金凝固组织从分枝较少的胞状树枝晶向分枝发达的树枝晶转变.模拟的一次枝晶间距从凝固速率为50 μm/s时的132 μm减少到凝固速率为500 μm/s时的69 μm.模拟结果与实验结果吻合较好.     

电阻点焊熔核微观组织模拟

基于有限差分思想建立了电阻点焊的三维宏观传热模型,并在此模型基础上通过进一步细化网格差分得到枝晶形核和生长所需的温度信息.基于元胞自动机方法建立枝晶形核和生长的微观模型,将已建立的宏观温度场模型和微观元胞自动机模型互相耦合起来,建立了电阻点焊熔核微观组织模拟的宏微观耦合模型.利用耦合模型模拟了5754铝合金电阻点焊一定参数下熔核的微观组织形成过程,所得的模拟结果为"柱状+等轴"晶组织,与试验结果吻合较好.     

用宏微观耦合模型模拟铝合金凝固过程

用一种宏微观耦合模型对Al-2．5Si在金属型中的凝固情况进行了模拟。该模型结合改进的元胞自动机模型与有限差分法，考虑了温度场、浓度场和微观生长过程。该改进的元胞自动机模型与经典元胞自动机相比较，不仅考虑了温度场扩散，而且考虑了溶质在液相中的扩散、界面曲率和溶质富集对枝晶尖端过冷度的影响。在宏微观耦合模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算。在3种不同的浇注温度下得到了3种典型的柱状晶向等轴晶转变的图形。考虑边界条件后的模拟结果发现等轴晶的形核情况与理论分析有所差别。     

凝固微观组织数值模拟的研究进展

介绍了主要的凝固微观数值模拟方法，评述了铸件凝固微组织数值模拟的研究现状，指出了该领域目前面临的问题和未来发展趋势。     

铸造凝固微观组织模拟研究进展

铸造凝固微观组织模拟是用计算机模拟铸件微观组织的形成过程,以预测铸件的组织结构和性能.本文概述了目前国内外凝固微观组织数值模拟的研究进展、相关基本原理和模型,介绍了采用计算机进行微观组织模拟的几种主要方法,评述了当前所使用的物理数学模型的特点及局限性,指出了该领域目前面临的问题和未来发展趋势.     

镍基高温合金熔模铸件凝固过程宏/微观多尺度模拟

建立镍基高温合金熔模铸件凝固过程的宏/微观多尺度数理模型,基于射线追踪法处理热辐射,模拟铸件的温度分布,采用三维宏/微观网格嵌套和改进的CA方法模拟微观组织,并依据微观组织模拟结果处理结晶潜热,实现微观与宏观模拟的耦合.依据等效液面下降法、Niyama判据和Darcy定律预测铸件的宏观缩孔、宏观缩松和微观缩松缺陷分布位置,并浇注实际的高温合金叶轮铸件.结果表明:模拟获得的冷却曲线、微观组织及缺陷位置与实验结果吻合良好,模拟结果能够准确预测铸件中多种缺陷的分布.     

镍基合金焊缝凝固组织演变过程模拟和仿真

建立了一个元胞自动机与有限差分的耦合模型,并将其应用于镍基合金TIG焊熔池凝固过程的模拟.首先对焊接熔池内的各种凝固组织的生长进行了模拟,成功地模拟了平面晶、胞状晶、树枝晶、等轴晶的形态,并与试验结果进行了比照.进一步模拟熔池凝固时的凝固组织不同形态的演变过程,再现了胞状晶到树枝晶、树枝晶到等轴晶的转变过程.同时,采用溶质扩散模型模拟了扩散对溶质场分布的影响.结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好.     

Cellular automaton modeling of semisolid microstructure formation

Computer modeling of semi-solid structure formation is of significance in both understanding the mechanisms of globular structure formation and determining the effect of solidification conditions on final microstructure. A modified cellular automaton (mCA) model has been developed, which is coupled with macroscopic models for heat transfer calculation and microscopic models for nucleation and grain growth. The InCA model is applied to A356 Al alloy - one of the most widely used semi-solid alloys, to predict grain morphology and grain size during semi-solid solidification, and determines the effects of pouring temperature on the final microstructure. The modeling results show that the lower the initial temperature, the finer grain size will be obtained. In addition, the model can be used to predict the solutal micro-segregation.     

Numerical simulation of microstructure evolution and microsegregation of U-Nb alloy during solidification process

In this work, a cellular automaton model has been developed to simulate the microstructure evolution of U-Nb alloy during the solidification process. The preferential growth orientation, solute redistribution in both liquid and solid, solid/liquid interface solute conservation, interface curvature and the growth anisotropy were considered in the model. The model was applied to simulate the dendrite growth and Nb microsegregation behavior of U-5.5Nb alloy during solidification, and the predicted results showed a reasonable agreement with the experimental results. The effects of cooling rates on the solidification microstructure and composition distribution of U-5.5Nb were investigated by using the developed model. The results show that with the increase of the cooling rate, the average grain size decreases and the Nb microsegregation increases.     

镍基合金焊接熔池凝固组织模拟

对原有元胞自动机中网格的捕获规则进行修正,完善了"对角线模拟角度"法则,并用其成功地模拟了镍基合金熔池凝固过程枝晶生长以及晶界偏析情况.结果表明,在焊接熔池凝固过程中,不同取向的晶粒之间存在着激烈的竞争生长.结晶取向与温度梯度最大的方向相一致的晶粒生长速度快,将其它取向的晶粒淘汰,在竞争中能够持续生长.同时,在枝晶与枝晶、枝晶臂与枝晶臂之间的残余液相中,存在溶质堆积现象,在凝固过程结束后,形成了严重的晶界偏析.     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

Modified cellular automaton model for modeling of microstructure and microsegregation in solidification of ternary alloys

A modified cellular automaton （MCA） model has been extended to the ternary alloy system by coupling thermodynamic and phase equilibrium calculation engine PanEngine. In the present model the dendrite growth is driven by the difference between the local equilibrium liquidus temperature and local actual temperature, incorporating the effect of curvature. The local equilibrium liquidus temperature is calculated with PanEngine according to the local liquid concentrations of two solutes, which are determined by numerically solving the species transport equation in the domain. Model validation was carried out through the comparison of the simulated values to the prediction of the Scheil model for solute profiles in the primary dendrites. The simulated data with zero solid diffusivity and limited liquid diffusivity were increasingly close to the Scheil profiles as the solidification rate decreased. The simulated microstructure and microsegregation in an Al-Cu-Mg ternary alloy were compared with those obtained experimentally.     

元胞自动机模拟形变组织的网格映射模型

文章采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系以及周期性边界条件的元胞自动机方法,获得等轴的母相微观组织。在此基础上建立网格映射模型,模拟得到静态再结晶前的形变组织以及动态再结晶过程中的形变组织,并与实验结果进行对比。结果表明,模型计算得到的尺寸误差较小,能够满足尺寸精度的要求。模拟得到微观组织随着应变的增加,晶粒形态沿变形方向伸长。应变越大,晶粒伸长的程度也越大。在大的应变量下,等轴的微观结构演变成纤维组织。模拟结果与实验结果符合较好,表明本模型能够用于模拟材料的形变组织。