基于八叉樹網(wǎng)格技術(shù)的相場法金屬凝固過程組織模擬的研究.pdf

1、凝固過程組織模擬能夠在晶粒以及更細(xì)小的尺寸上模擬鑄件凝固的微觀演變過程,實(shí)現(xiàn)鑄件凝固組織以及力學(xué)性能的預(yù)測,逐漸成為成形過程模擬的一個研究熱點(diǎn)。相場法作為一種數(shù)值模擬方法,采用擴(kuò)散界面模型,將界面處理成為一定厚度的連續(xù)界面,而避免了追蹤復(fù)雜界面,因而在凝固過程組織模擬中被應(yīng)用的越來越廣泛,包括從純金屬到多元合金,二維到三維,共晶到包晶等。但是該方法對計算量的要求一直是限制其進(jìn)一步發(fā)展的一個重要瓶頸,本文研究的主要目標(biāo)即為提高相場法進(jìn)行凝

2、固組織模擬的計算效率以及計算能力。
　　本文首先從網(wǎng)格相互關(guān)系,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),組建規(guī)則,遍歷操作以及自適應(yīng)網(wǎng)格等五個方面重點(diǎn)研究了八叉樹自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù),同時構(gòu)建了用于本文研究的相場法數(shù)學(xué)模型體系,具體包括純金屬相場模型,二元合金相場模型,各向異性處理技術(shù)以及本研究首次提出的多晶粒處理技術(shù)等;在討論了基于八叉樹網(wǎng)格一階以及多階導(dǎo)數(shù)離散技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用有限差分方法創(chuàng)造性的完成了基于八叉樹網(wǎng)格的相場、濃度場以及溫度場控制方程的離散和求解等

3、工作,首次提出了在八叉樹網(wǎng)格中巧妙的運(yùn)用搜索層數(shù)值相同單元進(jìn)行數(shù)值計算的方法,解決了溫度導(dǎo)熱系數(shù)與溶質(zhì)傳導(dǎo)系統(tǒng)量級不統(tǒng)一導(dǎo)致計算時間加長的問題;借助距離場生成技術(shù)完成了任意三維形狀八叉樹網(wǎng)格生成的研究工作,并給出了八叉樹網(wǎng)格后處理顯示中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)數(shù)值的處理方法,還對八叉樹網(wǎng)格遍歷以及自適應(yīng)算法的并行計算技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　其次,采用八叉樹自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)對純金屬單個等軸晶晶粒生長過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,與均勻網(wǎng)格數(shù)值模

4、擬結(jié)果對比不僅證明了八叉樹網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行凝固組織模擬的可行性,同時也說明該技術(shù)在提高計算效率和計算能力的巨大優(yōu)勢,同時還分析了該技術(shù)的并行效率以及八叉樹網(wǎng)格參數(shù)對凝固組織模擬結(jié)果的影響。對于等軸晶以及柱狀晶的熱物性參數(shù)對晶粒相貌生長影響進(jìn)行了研究,并采用理論分析很好的解釋了研究結(jié)果的變化規(guī)律;利用八叉樹自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)勢,對多個晶粒的等軸晶以及柱狀晶生長過程進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明了該技術(shù)能很好的應(yīng)用于此方面的研究。
　　再次,

5、采用八叉樹網(wǎng)格技術(shù)對二元合金等溫凝固、非等溫凝固兩個方面進(jìn)行了數(shù)值模擬工作,研究結(jié)果表明該技術(shù)能夠很好的用于二元合金的凝固過程模擬數(shù)值實(shí)驗(yàn),還通過二元合金凝固的微觀偏析這一指數(shù)的變化規(guī)律從側(cè)面證明了本技術(shù)應(yīng)用于二元合金凝固組織模擬的準(zhǔn)確性;在此基礎(chǔ)上采用該技術(shù)對多個二元合金柱狀晶生長過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明了該技術(shù)同樣適合于在此方面的研究。
　　最后,本文通過有機(jī)物溶液結(jié)晶實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際澆注鋁合金鑄件金相實(shí)驗(yàn),從純金屬以及二