過(guò)冷熔體枝晶生長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)模擬仿真——“微觀模擬之星”集成分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用.pdf

1、微觀組織數(shù)值模擬是當(dāng)今金屬凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的前沿領(lǐng)域。該技術(shù)以金屬凝固理論為基礎(chǔ)，利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果，可以逼真再現(xiàn)金屬凝固過(guò)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(jié)構(gòu)特征，而模擬枝晶生長(zhǎng)過(guò)程則成為微觀組織數(shù)值模擬研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在微觀組織數(shù)值模擬的各種方法中，相場(chǎng)法由于不需要追蹤固液界面而成為模擬枝晶生長(zhǎng)過(guò)程最強(qiáng)大的工具。本文正是利用相場(chǎng)法對(duì)過(guò)冷熔體中的枝晶生長(zhǎng)規(guī)律進(jìn)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(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)用于研究枝晶生長(zhǎng)規(guī)律，由前處理模塊、數(shù)值計(jì)算模塊和后處理（可視化）模塊組成。具體包括如下內(nèi)容：（1）前處理模塊的研制，用于輸入數(shù)值計(jì)算模塊所需要的材料熱物性參數(shù)、相場(chǎng)參數(shù)以及網(wǎng)格步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)等參數(shù)，其中的關(guān)鍵技術(shù)是控制時(shí)間步長(zhǎng)的智能化輸入；（2）相場(chǎng)模型方程的離散，確保了數(shù)值計(jì)算過(guò)程收斂、穩(wěn)定，計(jì)算精度高，運(yùn)算速度塊；（3）可視化模塊的研制，利用科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)將數(shù)值計(jì)算得到

3、的有關(guān)枝晶生長(zhǎng)規(guī)律的數(shù)據(jù)（海量數(shù)據(jù)）以直觀的圖形或圖像表達(dá)出來(lái)，從而逼真再現(xiàn)了枝晶生長(zhǎng)過(guò)程。 其次，利用“微觀模擬之星”集成分析系統(tǒng)對(duì)過(guò)冷熔體中的枝晶生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了定性分析。從一般的結(jié)晶現(xiàn)象出發(fā)，定性研究了各種相場(chǎng)參數(shù)對(duì)枝晶形貌的影響，再現(xiàn)了定向凝固過(guò)程以及自然界中真實(shí)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(tǒng)對(duì)過(guò)冷熔體中的枝晶生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了定量分析。結(jié)合具體的材料，定量研究了各種相場(chǎng)參

4、數(shù)對(duì)枝晶形貌的影響；分析了枝晶尖端的特征數(shù)據(jù)，并將其與經(jīng)典的枝晶尖端生長(zhǎng)理論進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典理論吻合較好。 另外，本文還對(duì)鑄造CAE系統(tǒng)前、后處理模塊中若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。研究了STL實(shí)體截面實(shí)時(shí)顯示技術(shù)、DIB繪圖技術(shù)以及平滑處理技術(shù)等。這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以提高鑄造CAE商品化軟件的性能。 最后，對(duì)“微觀模擬之星”集成分析系統(tǒng)進(jìn)行了檢驗(yàn)。對(duì)各種凝固條件下得到的金相圖片進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)枝晶形貌變化規(guī)律