過冷熔體枝晶生長的計算機模擬仿真——“微觀模擬之星”集成分析系統的實現與應用.pdf

1、微觀組織數值模擬是當今金屬凝固過程數值模擬技術的前沿領域。該技術以金屬凝固理論為基礎，利用數值計算技術和計算機技術發(fā)展的最新成果，可以逼真再現金屬凝固過程中微觀組織的演化。枝晶是金屬凝固界面形態(tài)中最典型的結構特征，而模擬枝晶生長過程則成為微觀組織數值模擬研究領域的熱點。在微觀組織數值模擬的各種方法中，相場法由于不需要追蹤固液界面而成為模擬枝晶生長過程最強大的工具。本文正是利用相場法對過冷熔體中的枝晶生長規(guī)律進行了深入的研究。 首

2、先，本研究完成了“微觀模擬之星”集成分析系統的開發(fā)。該系統用于研究枝晶生長規(guī)律，由前處理模塊、數值計算模塊和后處理（可視化）模塊組成。具體包括如下內容：（1）前處理模塊的研制，用于輸入數值計算模塊所需要的材料熱物性參數、相場參數以及網格步長和時間步長等參數，其中的關鍵技術是控制時間步長的智能化輸入；（2）相場模型方程的離散，確保了數值計算過程收斂、穩(wěn)定，計算精度高，運算速度塊；（3）可視化模塊的研制，利用科學計算可視化技術將數值計算得到

3、的有關枝晶生長規(guī)律的數據（海量數據）以直觀的圖形或圖像表達出來，從而逼真再現了枝晶生長過程。 其次，利用“微觀模擬之星”集成分析系統對過冷熔體中的枝晶生長過程進行了定性分析。從一般的結晶現象出發(fā)，定性研究了各種相場參數對枝晶形貌的影響，再現了定向凝固過程以及自然界中真實的枝晶形貌（如冰的枝晶形貌－雪花）。 再次，利用“微觀模擬之星”集成分析系統對過冷熔體中的枝晶生長過程進行了定量分析。結合具體的材料，定量研究了各種相場參

4、數對枝晶形貌的影響；分析了枝晶尖端的特征數據，并將其與經典的枝晶尖端生長理論進行了比較，發(fā)現數值模擬結果與經典理論吻合較好。 另外，本文還對鑄造CAE系統前、后處理模塊中若干關鍵技術進行了研究。研究了STL實體截面實時顯示技術、DIB繪圖技術以及平滑處理技術等。這些技術的實現可以提高鑄造CAE商品化軟件的性能。 最后，對“微觀模擬之星”集成分析系統進行了檢驗。對各種凝固條件下得到的金相圖片進行了分析，發(fā)現枝晶形貌變化規(guī)律