铸造合金的微观组织模拟——几种方法关键技术的研究

论文题目: 铸造合金的微观组织模拟——几种方法关键技术的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 丁恒敏

导师: 刘瑞祥,陈立亮

关键词: 约翰逊摩尔方程,蒙特卡罗步长,枝晶生长,元胞自动机法,相场法,数值模拟,扩散

文献来源: 华中科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 微观组织数值模拟的方法主要有:确定性方法、随机方法及相场法。其中:确定性方法主要依据温度场的分布情况从宏观角度来进行固液划分。随机方法包括Monte_Carlo 法和Cellular Automaton 法,基于概率论思想,能较合理地反映出晶体生长过程中的随机性。相场法基于“体系总能量总是趋于最小值,熵泛函的变分为零”的思路,在描述非平衡状态中复杂相界面演变时,不需要跟踪复杂固液界面,就可实现模拟金属凝固过程中枝晶生长的复杂形貌。微观组织数值模拟对金属材料的发展和应用有着重要意义,也是计算机应用于材料科学领域的主要发展方向之一。本文重点研究了Monte_Carlo 凝固组织模拟方法模型的物理本质、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用。针对各向同性等轴晶生长,利用Johnson-Mehl 方程,求解等轴晶生长Monte_Carlo 时间步长。本文还研究了各向异性等轴晶生长的Monte_Carlo 时间步长的本质及其数值计算方法; 首次导出了Monte_Carlo 时间步长与生长概率Pg、网格尺寸Δx、生长速度v 的关系; 并利用求解出的Monte_Carlo 时间步长, 模拟了Al-4.5%Cu 合金凝固的微观组织。准确求解Monte_Carlo 时间步长,将金属凝固的宏观模型和微观模型结合起来,可以反映出液体金属中的实际温度、浓度动态分布情况,从而能够很好地模拟金属的凝固组织形成过程。并采用Monte_Carlo 法对铸件的凝固过程进行了数值模拟,解决了模型数值求解过程中若干关键问题,深入探讨了合金凝固过程的枝晶生长机制,为最终实现铸件机械性能的预测奠定了良好的基础。本文研究并改进了二维二元合金等温相场模型。该模型基于每个单元中溶质的扩散及质量守恒原则,进而求解合金凝固过程中溶质的扩散方程,并对理想化Ni-Cu 过饱和合金液等温枝晶生长进行了计算。本文研究并针对Cellular Automaton 凝固组织模拟方法模型的物理本质、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用进行了探索。并利用Cellular Automaton 凝固组织模拟方法,求解了Al-4.5%Cu 等轴晶枝晶生长。差分法计算具有网格依赖性,针对不同生长方向晶粒的处理,在多晶粒计算时,需要根据各晶粒的具体生长角强化主轴方向生长。本文也利用Cellular Automaton 凝固组织模拟方法,求解了Al-4.5%Cu 等轴晶多个枝晶同时生长过程。论文同时研究了空间网格尺寸的大小、各向异性强度和随机的扰动等对模拟结果的影响,确定了这些关键参数的取值。

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 概述

1.2 微观组织模拟的研究及发展概况

1.3 现存的问题和发展趋势

1.4 论文的主要研究工作

2 微观组织数值模拟的物理与数学模型基础

2.1 溶质扩散模型

2.2 形核模型

2.3 生长模型

2.4 本章小结

3 Monte_Carlo 方法及Monte_Carlo 步长

3.1 Monte_Carlo 法的基本原理

3.2 等轴晶生长Monte_Carlo 步长的Johnson-Mehl 方程求解

3.3 Monte_Carlo 时间步长的求解与铸件截面组织模拟

3.4 本章小结

4 二元合金枝晶生长的Cellular Automaton 模型方法模拟

4.1 Cellular Automaton 的原理

4.2 数学模型的建立

4.3 模拟实例一

4.4 模拟实例二

4.5 本章小结

5 溶质场微观描述与二元合金等温相场模型

5.1 溶质场的微观描述

5.2 二元合金相场方程

5.3 二元合金相场计算与分析

5.4 本章小结

6 Cellular Automaton 和相场模型的数值计算及可视化处理

6.1 控制方程的数值代数与求解

6.2 计算用初始条件和边界条件

6.3 图形处理

6.4 枝晶尖端半径和固相率的计算公式

6.5 程序开发与编制

6.6 本章小结

7 各向异性、扰动、空间网格的取值及其影响

7.1 各向异性参数

7.2 扰动的引入

7.3 空间网格尺寸的影响

7.4 本章小结

8 模拟结果的验证

8.1 试验材料与装置

8.2 试验方案

8.3 实验结果与枝晶形貌分析

8.4 本章小结

9 全文总结和发展方向

9.1 全文总结

9.2 今后发展方向

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的论文

发布时间: 2006-04-05

参考文献

• [1].镁合金凝固过程三维枝晶形貌演化研究[D]. 帅三三.清华大学2016
• [2].铝合金凝固过程枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 龙文元.华中科技大学2004
• [3].基于胞元自动机方法的凝固过程微观组织数值模拟[D]. 陈晋.东南大学2005
• [4].纯金属凝固过程枝晶生长的相场法研究[D]. 田卫星.山东大学2007
• [5].过冷熔体枝晶生长的计算机模拟仿真[D]. 刘晶峰.华中科技大学2006
• [6].纯物质凝固过程枝晶生长现象的研究和模拟[D]. 王君.昆明理工大学2002
• [7].强静磁场对α-Al枝晶生长过程调控机理的研究[D]. 钟华.上海大学2017
• [8].热电磁力对共晶型合金定向凝固组织影响的研究[D]. 杜大帆.上海大学2017
• [9].强制对流影响凝固微观组织的相场法研究[D]. 袁训锋.兰州理工大学2011
• [10].过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟[D]. 于艳梅.西北工业大学2002

相关论文

• [1].铝合金及高温合金铸件凝固过程中晶粒组织形成的计算机模拟[D]. 严卫东.西北工业大学2002
• [2].纯金属凝固过程枝晶生长的相场法研究[D]. 田卫星.山东大学2007

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