采用CA-FE法模拟双辊连铸纯铝凝固微观组织

使用有限元软件Procast中的元胞自动机-有限元模型,建立了一个模拟双辊连续铸轧纯铝凝固微观组织形成的随机性模型.综合考虑了溶质再分配、界面曲率、晶粒择优生长的作用,基于有限元建立了宏观温度场计算和一个改进的元胞自动机模型.采用基于高斯分布的连续性形核模型,辊面和熔体内部的形核分别采用两种形核分布函数;枝晶尖端生长速度采用与局部过冷度有关的修正KGT模型.利用软件计算结果模拟了不同浇注温度和熔液内部平均形核过冷度对凝固微观组织形成的影响.     

基于CA方法的铝合金铸件微观组织的数值模拟

目前数值模拟技术已经成为预测铝硅合金铸件的凝固行为以及微观组织形成演化过程的重要工具.通过建立元胞自动机模型,在其中耦合FT-STAR软件计算的温度场和试验获得的形核参数,模拟了某型号铝硅合金铸件重力铸造条件下枝晶形核以及不同择优取向枝晶的生长过程.使用该模型预测了该铸件凝固过程关键点的晶粒度和二次枝晶臂,与试验结果吻合良好.     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.     

“节点修正”FVM-CA方法熔积凝固组织模拟

基于Nastac模型建立了一种优化的元胞捕捉机制,即"节点修正"法元胞自动机(CA)模型.较传统的CA模型能够简便有效地模拟任意主轴方向的柱状晶生长;将其与有限体积法(finite volume method,FVM)的宏观温度场模拟相结合,构建了一种改进的FVM-CA宏微观耦合计算方法.用该改进模型对碳钢电弧熔积组织演变过程进行了模拟,并探讨了熔积速度对熔池枝晶间距及生长方向的影响.试验结果证明了计算模型的合理性,该工作将为熔积增材成形金属零件的组织预测与控制提供科学基础.     

电磁搅拌作用下铝合金凝固组织的数值模拟

建立了有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的宏微观耦合的CA-FE模型,实现了电磁搅拌作用下Al-5％Cu合金凝固组织的数值模拟.该模型利用ANSYS软件计算电磁力,利用有限差分法计算宏观流场和温度场.在微观计算中,采用基于高斯分布的连续形核模型,并采用KGT生长模型计算枝晶尖端生长速率.模拟和实验结果表明,施加电磁搅拌后,铝合金的温度场均匀,冷却速率加快,利于组织细化.     

基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机（Cellular Automaton,简称CA）模型基本原理,建立符合镁合金密排六方结构特点的凝固过程形核、晶体生长的数学模型。模型耦合宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义界面单元捕获规则,能够模拟枝晶生长的形态。应用本模型对单个等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及定向凝固中的柱状晶生长进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。     

热冲压钢电阻点焊形核热过程及组织特征分析

电阻点焊接头质量在宏观上取决于熔核尺寸,在微观上则取决于点焊接头的组织状态,而两者都是由电阻点焊传热传质规律所决定的。文中采用数值模拟的方法对热冲压钢电阻点焊熔核形成过程进行研究。首先建立电阻点焊接头的有限元模型;然后模拟其熔核形成过程,建立点焊接头温度场分布及点焊熔核中心至热影响区的焊接热循环曲线;最后分析了点焊接头的组织特征及显微硬度分布,为控制点焊接头质量提供依据。     

Simulation of Grain Growth during Solidification of Twin-Roll Continuously Cast Pure Aluminum with a Modified CA Model

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型。模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和潜热释放等重要因素的影响,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态。应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好     

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。     

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.     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

用Cellular Automaton方法模拟压铸镁合金AM50的微观组织

基于Cellular Automaton(CA)方法的基本原理,建立了压铸镁合金AM50形核和等轴晶粒生长的二维数学物理模型,能够对任意晶向的等轴晶晶粒生长进行模拟。模型耦合了宏观传热与微观组织模拟计算,镁合金AM50阶梯块压铸件的温度场通过热传导反算法计算求得。对阶梯块压铸件不同阶梯表面的微观组织进行了模拟,并与金相试验结果进行了对比,它们在晶粒尺寸上吻合较好。     

重燃叶片定向凝固宏/微观数值模拟及实验研究

通过模拟和实验的方法对比研究了重燃叶片定向凝固过程宏观温度场及微观组织的变化规律。建立了非均匀网格的求解模型,提高了计算效率。基于温度场的模拟结果分析了糊状区的演化规律。采用线性插值算法结合元胞自动机有限差分(cellular automaton finite difference,CAFD)模型模拟了叶片的微观组织,并和实验进行了对比,模拟和实验结果吻合良好。讨论了几种常见晶粒缺陷产生的原因,提出了预防措施。采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技术进一步探讨了晶粒的竞争生长行为。建立了枝晶臂间距的计算模型,模拟了叶片的枝晶臂间距分布,并进行实验观察,分析了枝晶臂间距的变化规律。从宏、微观的角度解释了叶片的凝固特征,为实际生产提供帮助。     

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。     

MODELING OF ＇BANDING＇ MICROSTRUCTURE FORMATION IN CENTRIFUGALLY SOLIDIFIED Ti-6Al-4V ALLOY

Numerical investigations of the ＇banding＇ microstructure formation during solidification of Ti-6Al-4 V alloy in the centrifugal casting are conducted using a multi-scale model, which combines the finite difference method （FDM） at the macroscale with a cellular automaton （CA） model at the microscale. The macro model is used to simulate the fluid flow and heat transfer throughout the casting. The micro model is used to predict the nucleation and growth of microstructures. With the proposed model, numerical simulations are performed to study the influences of the nucleation density, mould rotation speed, and casting size upon the ＇banding＇ microstructure formation. It is noted that changing the nucleation density has a minor effect on the microstructure formation. The rotation speed promotes the formation of ＇banding＇ microstructure, which is more noticeable for larger size castings. The ＇major mechanism responsible for this ＇banding＇ phenomenon is the spatial variation in cooling rates created by centrifugal force.     

MODELING OF ''BANDING'' MICROSTRUCTURE FORMATION IN CENTRIFUGALLY SOLIDIFIED Ti-6Al-4V ALLOY

Numerical investigations of the 'banding' microstructure formation during solidifica-tion of Ti-6Al-4V alloy in the centrifugal casting are conducted using a multi-scale model, which combines the finite difference method (FDM) at the macroscale with a cellular automaton (CA) model at the microscale. The macro model is used to simu-late the fluid flow and heat transfer throughout the casting. The micro model is used to predict the nucleation and growth of microstructures. With the proposed model,numerical simulations are performed to study the influences of the nucleation density,mould rotation speed, and casting size upon the 'banding' microstructure formation. It is noted that changing the nucleation density has a minor effect on the microstructure formation. The rotation speed promotes the formation of 'banding' microstructure,which is more noticeable for larger size castings. The major mechanism responsi-ble for this 'banding' phenomenon is the spatial variation in cooling rates created by centrifugal force.     

MODELING OF ＇BANDING＇ MICROSTRUCTURE FORMATION IN CENTRIFUGALLY SOLIDIFIED Ti-6Al-4V ALLOY

Numerical investigations of the 'banding' microstructure formation during solidifica-tion of Ti-6Al-4V alloy in the centrifugal casting are conducted using a multi-scale model, which combines the finite difference method (FDM) at the macroscale with a cellular automaton (CA) model at the microscale. The macro model is used to simu-late the fluid flow and heat transfer throughout the casting. The micro model is used to predict the nucleation and growth of microstructures. With the proposed model,numerical simulations are performed to study the influences of the nucleation density,mould rotation speed, and casting size upon the 'banding' microstructure formation. It is noted that changing the nucleation density has a minor effect on the microstructure formation. The rotation speed promotes the formation of 'banding' microstructure,which is more noticeable for larger size castings. The major mechanism responsi-ble for this 'banding' phenomenon is the spatial variation in cooling rates created by centrifugal force.     

搅拌铸造SiCp/Al-7.0%Si复合材料的三维微观组织模拟

对搅拌铸造法制备SiC颗粒（SiCp）增强Al-7．0％Si（质量分数）复合材料的微观组织形成过程进行了模拟研究,建立了常规凝固条件下相应的宏观传热、等轴枝晶形核、生长以及颗粒推移的三维计算模型,采用一种改进的CA（cellular automaton）方法与有限差分法耦合进行数值计算,研究了不同颗粒体积分数对复合材料宏观传热、微观组织以及颗粒分布的影响．为了验证模拟结果,浇注了阶梯形金属型和砂型试样．结果表明,模拟得到的复合材料颗粒分布及微观组织与实验结果吻合良好．随着颗粒体积分数的增加,凝固时间逐渐缩短,基体晶粒逐渐细化,颗粒分布趋向均匀．