论文题目: 热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟
论文类型: 博士论文
论文专业: 材料加工工程
作者: 丁雨田
导师: 许广济
关键词: 热型连铸,凝固,数值模拟,温度场,微观组织
文献来源: 兰州理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 综述了金属凝固过程微观组织模拟从确定性模型、概率模型到相场法的发展过程和方法,以及各种模型存在的问题。提出Cellular Automation(元胞自动机,简称CA)概率模型由于考虑了晶体生长的择优取向,具有明确的物理背景,适合于模拟热型连铸凝固过程微观组织演化过程。 试验研究了热型连铸凝固过程微观组织演化机理。提出在热型连铸凝固过程中组织演化经历了三个阶段,即晶粒迅速淘汰阶段、晶粒缓慢淘汰阶段和单晶生长阶段。组织演化过程本质上是由液固界面的形状所控制的,凸向液体的液固界面形状有利于晶粒的淘汰,得到单晶体,而液固界面的形状受连铸速度的影响,随着连铸速度的增加,液固界面形状发生凸-平-凹转变。 应用Monte Carlo方法模拟了单向凝固的组织形成过程。该方法能够模拟出单向凝固条件下柱状晶的竞争生长,而且模拟结果与实际组织具有一定的相似性。但Monte Carlo方法没有考虑晶粒的择优取向等定向凝固中的一些关键参数,缺乏明确的物理依据。尽管如此,Monte Carlo方法还是可以用来定性的模拟定向凝固的组织形成,对于各项工艺参数的分析提供一定的参考价值。 应用热型连铸凝固热传输过程的显示交替差分数值模拟方法和微观组织模拟的CA方法,将宏观温度场模拟和微观组织模拟耦合,建立了微宏观统一的二维和三维微观组织模拟耦合模型。采用该模型,针对纯Cu金属的热型连铸,模拟研究了共组织演化过程及热型连铸中各种工艺参数对组织演化的影响。研究表明,尽管微观组织形成的二维模拟结果能够反映热型连铸凝固过程组织形成的特点,与实际试验结果有较好的一致性,但是二维模拟结果显示的是圆柱体铸棒中心轴对称面上的微观组织,考虑到微观组织的不对称性和随机性,二维模拟结果并不能准确地反映热型连铸凝固过程组织演化的结果,更准确地模拟应该不仅能显示轴向微观组织,而且也能显示横断面的微观组织,这就必须进行微观组织的三维模拟,只有这样,才能完全了解热型连铸微观组织的演化过程。三维微观组织模拟,可显示热型连铸凝固过程微观组织的晶粒形貌,再现晶粒的生长过程。对热型连铸中不同工艺条件下组织演化的模拟研究表明:连铸速度对固液界面的形状、位置和晶粒淘汰的影响较大。随着连铸速度的增大,固液界面由凸向液相区逐渐变为平界面甚至是凸
论文目录:
第一章 绪论
1.1 铸造凝固过程计算机数值模拟发展概况
1.2 凝固过程微观组织数值模拟发展概况
1.2.1 概述
1.2.2 确定性方法
1.2.3 概率方法
1.2.4 相场方法(Phase Field Method)
1.2.5 扩散控制聚集模型(DLA)
1.2.6 凝固过程微观组织模拟研究现状
1.2.7 现有模拟方法存在的主要问题
1.3 热型连铸技术的发展概况
1.4 本文的研究意义及内容
1.4.1 研究意义
1.4.2 研究内容
第二章 热型连铸过程微观组织演化实验研究
2.1 热型连铸的基本原理与特点
2.1.1 热型连铸的基本原理
2.1.2 热型连铸技术的特点
2.2 实验方法
2.3 实验结果及讨论
2.3.1 单晶组织的演化过程
2.3.2 液固界面形状对单晶体组织演化过程的影响
2.4 结论
第三章 Monte Carlo法模拟热型连铸过程微观组织演化
3.1 Monte Carlo方法模型描述
3.1.1 形核模型
3.1.2 生长模型
3.1.3 传热计算
3.2 结果与讨论
3.3 结论
第四章 热型连铸过程温度场数值模拟
4.1 网格剖分
4.2 温度场模拟的数学模型
4.2.1 热型连铸过程热传输控制方程
4.2.2 差分方程的建立
4.2.3 金属液连续浇入的处理
4.3 热型连续凝固过程温度场模拟
4.3.1 求解条件的处理
4.3.2 温度场模拟程序编制：
4.4 温度场模拟结果与分析
4.4.1 宏观温度场模拟程序界面
4.4.2 温度场模拟结果与分析
4.5 结论
第五章 CA法模拟热型连铸过程微观组织
5.1 微观组织形成的物理数学模型
5.1.1 形核模型
5.1.2 生长模型
5.2 微观组织形成的数值计算方法
5.2.1 网格划分和微观单元温度确定
5.2.2 形核与长大
5.3 热型连铸凝固过程组织形成的二维CA模拟
5.3.1 模拟程序的编制
5.3.2 结果与分析
5.4 热型连铸凝固过程微观组织形成的三维CA模拟
5.4.1 三维微观组织模拟方法
5.4.2 结果与分析
5.4.3 结论
第六章 结论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的论文
发布时间: 2006-08-10
参考文献
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