基于CA法的连铸小方坯凝固微观组织模拟

论文摘要

连铸生产技术因其生产率高、能耗低等特点在全世界范围内得到广泛应用。凝固作为连铸坯生产的重要阶段,与产品的质量密切相关。随着计算机技术的迅猛发展,对凝固过程及其微观组织的模拟研究也取得了显著进展。凝固的数值模拟主要可分为宏观和微观两个方向,其中宏观模拟已经相对成熟,目前已有应用于实际工程的商业软件：自上世纪90年代至今,微观组织模拟逐渐成为凝固过程数值模拟的主要研究方向。本文以120mm×120mm连铸小方坯为研究对象,主要研究了小方坯凝固过程中温度对组织演变的影响,为进一步优化实际生产过程提供理论依据。本文主要研究工作如下：（1）充分考虑对流、辐射等传热方式,考虑了三类边界条件,采用ANSYS模拟软件对连铸小方坯温度场进行了数值模拟,得到钢坯截面上随时间变化的温度场;温度场采用较大网格,为保证运算的精确性,根据温度梯度的大小选择时间步长。（2）元胞自动机（Cellular automata）是可模拟复杂结构和过程的模型。因元胞自动机方法基本思想清晰简单,本文在充分考虑晶粒生长择优取向等因素前提下,建立了形核长大模型。利用该模型进行模拟计算,与理论模型的结果一致。为保证模拟的真实性,微观组织模拟采用细密网格划分,并通过图像显示模块直观的表达演变过程。（3）为保证宏观与微观模拟的耦合,本文采用VC++编程以弱耦合方式对宏观—微观模型进行耦合,用双线性插值方式实现宏观单元与微观元胞之间的温度传递。（4）考虑到计算机运算能力,选取三个特征点来研究凝固组织随温度演变的规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 连铸技术
• 1.1.1 连铸技术的发展
• 1.1.2 连铸技术特点
• 1.2 小方坯连铸技术应用现状
• 1.3 小方坯凝固过程研究进展
• 1.3.1 宏观模拟
• 1.3.2 微观模拟
• 1.4 研究内容和研究方法
• 第2章 凝固过程理论基础
• 2.1 宏观温度场模拟的基础理论及数学物理模型
• 2.1.1 传热基本方程
• 2.1.2 热量传输方式
• 2.1.3 连铸坯的热量传输
• 2.2 微观组织模拟的基础理论及数学物理模型
• 2.2.1 形核动力学
• 2.2.2 晶粒的长大
• 2.2.3 枝晶长大
• 2.3 相关参数处理
• 2.4 小结
• 第3章 元胞自动机基本原理及应用
• 3.1 元胞自动机的基本理论
• 3.1.1 元胞自动机的定义
• 3.1.2 元胞自动机的构成
• 3.1.3 元胞自动机的特点
• 3.1.4 元胞自动机的基本思想及建模思路
• 3.1.5 元胞自动机的分类
• 3.2 元胞自动机的应用
• 3.3 小结
• 第4章 凝固过程模型及求解
• 4.1 铸坯凝固过程温度场模型及求解
• 4.1.1 基本假设
• 4.1.2 初始条件
• 4.1.3 边界条件
• 4.1.4 模拟步骤
• 4.2 CA生长模型及求解
• 4.2.1 元胞规则
• 4.2.2 基本假设
• 4.2.3 边界条件
• 4.2.4 参数取值列表
• 4.2.5 CA形核生长模型流程图及界面
• 4.3 宏微观的耦合
• 4.3.1 温度的获得
• 4.3.2 程序的实现
• 4.4 小结
• 第5章 模拟结果分析
• 5.1 单元选取
• 5.2 温度场及坯壳厚度分析
• 5.3 微观组织
• 5.3.1 铸坯表面
• 5.3.2 铸坯截面1/4处
• 5.3.3 中心部位
• 5.3.4 断面组织示意图
• 5.4 小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 研究结论
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢