矿柱岩爆过程声发射的数值模拟

由损伤力学理论与微元强度统计理论，得到了岩石声发射参数与损伤参量的关系。应用自行开发的RFPA^2D程序对矿柱岩爆的物理过程进行了数值模拟，其结果再现了矿柱岩石微破裂诱致宏观破裂的演化过程以及和微破裂相关的声发射事件源的空间分布特征和事件序列特征。特别是考虑到材料非均匀性的影响，分析了不同粒度材料的模型产生不同岩爆模式的原因。同时研究了岩爆发生过程“平静期”和“损伤愈合”的特性以及在大的岩爆前有较小的声发射这种前兆出现的规律。     

基于晶体塑性的难变形材料不均匀变形多尺度建模研究进展

分析并综述了不均匀变形预测中的晶体塑性模型与求解算法,论述了考虑多相材料非均质特征与晶界异质性的晶体塑性建模难点与方法;分析并综述了用于微观组织形态演化预测的元胞自动机建模方法,并论述了考虑不均匀变形与组织形态演化交互作用机制的晶体塑性与元胞自动机耦合建模的关键难点及其解决方法。进一步论述了基于宏观有限元、细观晶体塑性有限元与微观元胞自动机的多尺度全耦合建模方法及其在钛合金复杂隔框构件等温局部加载成形多尺度耦合响应规律预测中的成功应用。最后分析了多尺度建模仍存在的问题,并展望了多尺度建模的发展趋势。     

铸造过程计算机三维模拟的研究进展

从温度场、流动场、应力场以及多场耦合等方面综述了计算机对铸造过程各物理场量的三维模拟情况,总结了基于相场法和元胞自动机法的铸件微观组织演化过程三维模拟研究进展。指出计算机三维模拟在铸造过程中的应用前景广阔。     

大锻件非连续热变形组织演变宏微观模拟

综述了几种典型大锻件材料热加工过程组织演变建模方法。以核电用钢SA508-3从加热到锻造成形全流程微观组织演变规律为研究内容,建立了反映微观组织演变物理特性的唯象数学模型;以低碳钢SS400为研究对象,提出新形核参数辨识方法及位错关联型形核模型,开发了适用于预测该材料动态再结晶行为的元胞自动机模型;以30Cr2Ni4MoV低压转子钢为研究对象,将理论建模、数值模拟和实验研究相结合,根据应变-位错密度-再结晶-流变应力之间的宏微观相互影响规律,建立了包含奥氏体化晶粒长大-变形-回复-动态再结晶-亚动态再结晶和静态再结晶各过程在内的微观组织演变元胞自动机模拟方法,用于多道次热压缩微观组织演变;以核电用钢316LN不锈钢为研究对象,通过将多级元胞空间的概念引入到传统的元胞自动机模拟框架内,制定了再结晶中的元胞状态转变规则及不同级元胞空间之间的数据传递规则,建立了用于模拟动态再结晶的多级元胞自动机模型,其中包括新开发的全场多级晶粒拓扑变形模块以及多级再结晶形核模块,并对该模型进行了验证。介绍了对核电大型蒸汽发生器及水室封头成形进行新技术开发的工业应用案例,此外,结合多道次元胞自动机模型,集成热锻非连续变形多尺度数字化仿真系统,进行多工步、多道次拔长过程微观组织演变的多尺度模拟。     

金属在湿大气环境下初期腐蚀行为的元胞自动机模拟

大气腐蚀是金属在自然环境下服役中常见的一种腐蚀现象。本文采用元胞自动机方法对金属在湿大气腐蚀环境下的腐蚀行为进行了模拟。根据元胞自动机的机理和金属在湿大气环境下的初期腐蚀机理的实验研究结果,建立了元胞自动机模型的演化规则,对金属腐蚀过程中的电化学反应和扩散过程进行了模拟。通过对元胞自动机模型在不同参数下进行的模拟结果,确定了能够比较真实反应腐蚀坑形貌的模拟条件。同时统计了电解质中各元胞的浓度分布,并对比湿大气环境下金属腐蚀的机理进行了分析和讨论,模拟结果与实际结果一致。     

基于声发射定位技术的矿柱破坏规律实验研究(英文)

声发射技术是研究岩石损伤破坏的良好工具。通过与矿柱相似的材料试验研究,对微裂纹的时空演化规律进行研究。断铅试验结果表明:所提出的基于最小二乘法和Geiger算法的声发射组合定位算法的定位精度良好,能满足岩石破坏过程声发射监测的需要。声发射定位结果直观地反映岩样内部裂纹初始、扩展的空间位置,对于研究岩石破坏机理具有重要意义。在受载条件下,矿柱与顶板相接位置最容易产生应力集中,出现声发射群集现象,其最终破坏结果与声发射定位时间群集区域吻合良好,说明矿柱与顶板相接位置属于宏观破坏发生的危险区;当岩石进入塑性变形阶段后,声发射率明显下降,出现"平静期",可以作为岩石失稳破坏的前兆特征。     

Cellular Automaton法模拟金属凝固显微组织研究进展

介绍了金属凝固过程中显微组织模拟的数学模型和计算模型以及元胞自动机（Cellular automation）法的原理及发展历程。概述了晶粒形核和生长的几个物理模型，并对元胞自动机在凝固过程中微观组织形成过程的计算机模拟的应用作了较详细的介绍。元胞自动机考虑了形核和生长动力学问题，通过宏微观耦合模型可计算固相分数和潜热释放的变化。介绍了两种元胞自动机和有限元方法的耦合方式，并对元胞自动机法的未来发展方向进行了展望。     

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.     

钢材腐蚀损伤过程的元胞自动机模拟

采用元胞自动机方法对腐蚀环境下钢材的腐蚀行为进行了模拟,依据钢材在腐蚀环境下的实验研究结果和元胞自动机原理,定义了元胞自动机模型的局部演化规则,分别对钢材在腐蚀环境下蚀坑表面和深度腐蚀形貌发展过程进行了模拟。通过对比元胞自动机模型在不同溶液初始浓度c和溶解概率p条件下的模拟结果,确定了能够真实反映蚀坑形貌的模拟条件,并且讨论了不同的c和p对模拟形貌的影响。结果表明,随着p和c的增长,蚀坑等效半径和深度随腐蚀时间t呈现近似幂函数增长。同时,将蚀坑深度模拟结果与依据Komp提出的理论公式计算结果进行对比,符合程度非常高,验证了CA模型的可行性和正确性。     

连续冷却过程中低碳钢奥氏体→铁素体相变的元胞自动机模拟

采用低碳钢连续冷却过程中奥氏体→铁素体相变的元胞自动机模型，模拟了铁素体晶粒形核与生长的全过程，模型中考虑了溶质扩散在相变过程中的作用。在元胞自动机的网格内，晶粒的形核与生长用两个概率的变化来描述它们之间在相变过程中的相互竞争关系，给出了形核与生长的元胞自动机规则。总结了元胞自动机方法解决铁索体晶粒形核与生长问题的过程，并在该模型的基础上分析了冷却速率等因素对于晶粒形核与生长的影响。     

焊缝金属凝固元胞自动机模型的研究

元胞自动机能够基于现象本身的物理机制，对于难以用数学方法定量描述的体系如微观组织的演变等具有良好的适用性。成功地将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织的模拟中，不仅使数值方法应用于焊接领域的范围和深度进一步扩大，同时，也为更深入地揭示焊接熔池结晶中各种物理现象、探讨其机制打下基础。     

考虑固溶及时效处理的镁合金铸件微观组织模拟及力学性能预测

基于改进元胞自动机(CA)模型,综合考虑铸造、固溶处理和时效处理过程中的微观组织转变,建立了镁合金铸件微观组织演化模型;在分析Mg-Al系镁合金第二相析出过程和强化机理的基础上,建立了镁合金铸件力学性能模型;针对镁合金汽车轮毂,采用建立的模型,模拟预测了铸件关键部位的微观组织演化和力学性能.结果表明,铸态和固溶处理条件下屈服强度的预测值与实际测量平均值吻合较好,而时效处理状态下的预测值与实测平均值有一定差别,抗拉强度的模拟预测值与实际测量的平均值吻合较好     

Modeling of solidification grain structure for Ti-45% Al alloy ingot by cellular automaton

A cellular automaton model for simulating grain structure formation during solidification processes of Ti45% Al(mole fraction) alloy ingot was developed, based on finite differential method for macroscopic modeling of heat transfer and a cellular automaton technique for microscopic modeling of nucleation, growth, solute redistribution and solute diffusion. The relation between the growth velocity of a dendrite tip and the local undercooling,which consists of constitutional, thermal, curvature and attachment kinetics undercooling is calculated according to the Kurz-Giovanola-Trivedi model. The effect of solidification contraction is taken into consideration. The influence of process variables upon the resultant grain structures was investigated. Special moving allocation technique was designed to minimize the computation time and memory size associated with a large number of cells. The predicted grain structures are in good agreement with the experimental results.     

Simulation of primary recrystallization using a modified three-dimensional cellular automaton

A modified three-dimensional cellular automaton algorithm has been developed to simulate primary static recrystallization of cold-worked metals. The driving force for the nucleation and growth of recrystallized grains is the volume free energy due to the stored dislocation density of the deformed matrix. Growth terminates upon impingement. The code allows the introduction of specific conditions for recovery, nucleation and grain boundary motion. The model is capable of simulating kinetics, microstructure and texture development during recrystallization. The modification of the cellular automaton approach allows for the simulation of an orientation dependent growth rate. A novel algorithm minimizes the computational load and computer memory requirement.     

应用元胞自动机模型模拟析出相对材料晶粒长大的影响

为了探讨元胞自动机(CA)方法模拟析出相粒子对材料晶粒长大过程影响的应用,在现有晶粒长大CA模型的基础上,综合应用曲率驱动机制和能量驱动机制,建立了适合于含有析出相粒子材料和具有新转变规则的晶粒长大模型,应用该模型对含有不同体积分数析出相粒子的材料晶粒长大过程进行了仿真模拟和定量分析。结果表明:所建模型能够较准确地反映析出相粒子对晶粒长大过程影响的基本规律,且更加敏感地反映了析出相粒子体积分数对晶粒长大过程的影响;随着析出相粒子体积分数的逐渐增加,晶界脱钉现象不易发生且晶粒长大指数不断减小。     

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.     

Two-dimensional cellular automaton model for simulating structural evolution of binary alloys during solidification

1Introduction During solidification of cast metallic materials,simulations of microstructural evolution,which track kinetics in a local fashion,are of interest for two reasons.First,from a fundamental point of view,it is desirable to better understand the…     

元胞自动机方法在枝晶生长模拟中的应用

尽管大量关于枝晶生长模拟的研究都使用了相场方法,但近年来元胞自动机(CA)方法在枝晶生长模拟方面也取得了很大进展.介绍了CA方法模拟枝晶生长的原理和模型,评述了CA方法在枝晶模拟方面的发展历程,指出了存在的问题的和进一步研究的方向.     

Effect of process variables on grain growth in simulating solidification microstructure of Ti-45%Al alloy ingot by stochastic model

A comprehensive stochastic model for simulating microstructure formation of Ti-45% Al（mole fraction） alloy ingot during solidification process was developed, based on a finite differential method（FDM） for macroscopic heat flow calculation and a cellular automaton（CA） technique for microscopic modeling of nucleation and growth. The formation of a shrinkage cavity at the top of ingot was taken into account. The effects of process variables such as pouring temperature and mold-preheated temperature on the microstructure formation were investigated. The calculated results indicate that the columnar zone is expanded with increasing pouring temperature in the nonlinear way and the volume fraction of equiaxed zone only slightly varies with the mold-preheated temperature.