6061铝合金半连铸圆坯组织瞬态数值模拟研究

本文建立了6061铝合金半连铸过程传热模型和元胞自动机-有限元(CAFE)耦合模型,采用边界跟踪法模拟了瞬态条件下不同铸造工艺对凝固组织演变的影响。经试验验证,该模型可模拟6061铝合金半连铸的凝固组织。用其预测不同铸造温度、速度和传热系数下的凝固组织。结果表明:铸造温度升高,等轴区宽度从219.1 mm降至187.4 mm,柱状晶和等轴晶均粗化;铸造速度增加,液穴深度增大,等轴晶区的宽度由222.1 mm降至202.4 mm,柱状晶尺寸增大,等轴晶细化;传热系数增大,铸坯边部温度梯度增大,柱状晶粗化,但中心熔体冷却速度增大,对等轴晶有一定细化效果。用半连铸方法生产6061铝合金铸锭,适当降低铸造温度,增大铸造速度和冷却水量有利于形成细小的凝固组织。

超声波作用对铝合金铸锭微观组织的影响

利用超声波处理铝熔体可改善铸锭微观组织从而达到改善性能的目的。将纯铝在小坩埚中熔化并对其施加超声波处理,与未施加超声波作用的样品进行对比发现,施加超声处理后的铸锭在纵截面上形成了均匀细小的微观组织,而未施加超声处理的铸锭则形成粗大不均匀的微观组织,与基于元胞自动机的有限元法(CAFE)仿真分析结果吻合。为了进一步分析研究,以2A14铝合金ϕ830 mm大铸锭为研究对象,对比分析施加与不施加超声波处理的铸锭微观组织发现,对熔体施加超声处理后的铸锭从心部到边缘晶粒组织均有细化,与仿真分析结果接近。因此对熔体施加超声处理无论对于小铸锭还是大铸锭均有明显的晶粒细化作用,有利于提高铝锭的综合性能。

6061铝合金激光焊接头的软化机理

采用试验和数值模拟相结合的研究方法,对2 mm厚的6061铝合金薄板的焊接性及接头软化机理进行了深入分析及探讨。拉伸试验结果表明,随着热输入的增加,接头宏观成形呈现从未焊透向成形优良及焊穿过渡的趋势,抗拉强度呈现先增加后减小的变化规律。在激光功率为2.6 kW、焊接速度为1.5 m/min的最优工艺下,接头强度达到母材强度的98%,几乎和母材等强,接头软化程度最低。采用微观组织表征设备(SEM,OM)观察并测量气孔位置和尺寸、焊缝塌陷高度、咬边最大距离及联生结晶区柱状晶主干长度随塌陷位移的变化,全方面分析总结接头软化的原因。建立宏微观耦合跨尺度组织演化有限元-元胞自动机模型(FEM-CAM),对比不同焊接工艺参数下模拟结果和试验测量的熔池形貌,验证了FEM的准确性;将宏观温度场模拟结果作为热输入,基于固液界面溶质平衡法计算枝晶生长驱动力。联生结晶区柱状晶一次枝晶干长度沿厚度方向变化CAM模拟结果和OM表征测量结果一致。因此,文中建立的耦合模型可以揭示熔池凝固过程枝晶的动态演化机制及生长规律。

高强韧铝合金半连铸凝固过程数值模拟及热裂纹形成机理研究

2024铝合金油气滑半连铸产品中出现的热裂纹问题严重影响了其工业化生产及综合性能。本文利用ProCAST铸造分析软件,基于移动边界法的宏观温度场模型,利用CAFE(cellular automata finite element)模块模拟铸锭微观组织对比实际晶粒尺寸,验证了模型可靠性;基于热弹塑性模型模拟了铸锭所受的主应力、等效应力以及切应力,分析了热裂纹的产生原因。对铸锭进行热裂纹敏感性判据HTI(hot tearing indicator)分析,结果表明,沿半径方向距离边缘约40 mm处裂纹倾向性最大且成环状,与实际铸锭中的裂纹位置和形状一致。基于第三强度理论,得到了φ254 mm的2024铝合金半连铸最佳工艺区间,铸造温度为685~695℃,铸造速度为59~62 mm/min。经验证,获得了表面质量良好,无裂纹的2024铝合金铸锭。

交通荷载下叠合式公轨隧道的力学性状研究

为模拟交通荷载,引入并改进三车道元胞自动机得到汽车荷载作用位置的随机动态变化,同时利用汽车动力模型、列车-钢轨-隧道耦合动力学模型得到交通荷载量值随时间的动态变化。首先建立叠合式公轨隧道有限元静力模型并进行分析,随后将交通荷载导入公轨隧道有限元模型中,对公路隧道衬砌的动力响应进行分析,获得衬砌的水平应力时程曲线、最大应力响应值和振动加速度,并获得不同隧道布置形式下最大加速度分布曲线、最大应力分布曲线。为减小公路隧道底板拉应力,对2种隧道之间的垫层布置形式进行了措施优化,最后对垫层与动力响应的关系进行研究。研究结果表明:静力条件时铁路隧道造成公路隧道下部刚度差异,不同铁路隧道布置形式会分别加剧或减小公路隧道底板拉应力;动力条件时动力响应值在2种交通荷载共同作用时达到最大值,其中最大拉应力为2.77 MPa,与静力分析相比增加了7.36%,且公路隧道最大振动加速度由列车荷载控制;不同的铁路隧道布置形式下公路隧道的最大振动加速度和拉应力大小及发生位置有所不同,铁路隧道分开、合并布置时,最大振动加速度分别出现在两侧隧洞跨中和公路隧道中墙处,前者最大拉应力值约为后者的1.5倍,且其最大拉应力出现位置更靠近侧墙。通过在公路隧道下方铺设垫层,可以有效控制其底板拉应力,垫层宜优先设置在中墙和2个侧墙位置处。

元胞单元法

介绍一种力学计算方法———元胞单元法 .它将结构的整体求解变成局域分析 ,通过力的局域间的不平衡传递达到最终的整体平衡 .它对计算机容量要求低 ,在大规模计算方面具有良好的前景 .同时 ,由于借用了元胞自动机的思想 ,可形成一种高度并行的算法 ,适用于未来并行机的要求 ,是一种有发展潜力的数值方法 ,可望在大型结构和纳米力学的大规模摸拟方面得到应用 .文中介绍了元胞单元法的基本原理 ,将其用于平面问题分析 ,进行了数值试验 ,给出了计算步骤和结果 ,并对其优点和存在的问题进行了讨论 .

三维实体问题分析中的元胞单元法

基于局部作用原理 ,借用有限元离散和插值技术 ,引入元胞自动机的演化思路 ,得到一种新的力学计算方法——元胞单元法 .它将结构的整体求解变成局域分析 ,通过力的局域间的不平衡传递达到最终的整体平衡 .它对计算机容量要求低 ,可形成一种高度并行的算法 ,可望在大型结构和纳米力学的大规模模拟方面得到应用 .为探讨其适用性 ,将其用于三维实体问题分析 ,给出了元胞模型和计算步骤 ,进行了数值试验 。

顾及空间异质性的多尺度空间负荷预测

提出顾及空间异质性的多尺度空间负荷预测模型。提出空间变异系数和尺度的概念,在此基础上提出按照空间变异系数对元胞空间进行不规则区域划分的方法,将得到的分区按照不同的相似度阈值进行区域聚类融合,得到不同尺度下的区域划分,然后将每一尺度下得到的结果进行叠加来预测空间负荷的分布。实例验证表明,所提模型提高了空间负荷预测的准确率。

元胞单元法在花键分析中的应用

元胞单元法是一种新的力学计算方法,它将结构的整体求解变成局域分析,通过力的局域间的不平衡传递达到最终的整体平衡。它对计算机容量要求极低,在大型复杂结构的计算方面具有良好的前景。同时,由于借用了元胞自动机的思想,可形成一种高度并行的算法,适用于未来并行机的要求,是一种富有发展潜力的新的数值方法。将该方法应用于卷板机花键的静力分析,以检验其实际应用的可行性。文中以直观的方式介绍了元胞单元法的基本原理,给出了详细的计算步骤和结果,探讨了方法的有效性,并对其优点和存在的问题进行了讨论。

并行元胞单元法

在对元胞单元法的基本原理与特点进行简要介绍之后,探讨了元胞单元法的并行计算方法,给出了算法描述和解题步骤。以平面应力问题分析为例,进行了数值试验,给出了详细的计算步骤和结果。结果表明元胞单元法可形成一种高度并行的算法,适用于未来并行机的要求,有望在大型结构和纳米力学的大规模摸拟方面得到应用。

腐蚀环境中铝合金材料力学性能退化研究

针对金属材料在服役环境中由于环境介质作用而使其力学性能降低这一问题,采用元胞自动机方法对航空工程结构中的铝合金材料,在不同环境条件下的腐蚀损伤演化过程进行模拟,得到铝合金表面腐蚀损伤的形成及演化过程;最后结合计算机图形图像处理技术,对铝合金腐蚀损伤元胞自动机模拟结果进行腐蚀图像特征提取及有限元分析,得到了材料表面腐蚀损伤周围的应力分布和结构的最大承载力。

非线性元胞单元法初探

将元胞单元法用于弹塑性问题分析 ,探讨其求解非线性问题的可行性 ,给出了详细的计算步骤 ,进行了数值试验 。

42CrMo环件铸辗复合成形的跨尺度建模

基于有限元理论和元胞自动机模型,提出一种宏观与微观尺度相结合的铸态42CrMo合金环件短流程铸辗复合成形工艺混合建模方法。在铸辗复合成形新工艺理论框架下,定义考虑环坯热变形行为和晶粒空间结构的宏观/微观边界转换条件,该边界条件有助于环件的形/性一体化调控。在微观元胞自动机模型框架下,研究晶粒拓扑变形技术,充分考虑晶粒空间重叠的结构问题,通过独立成分分析对晶粒的拓扑结构进行优化。应用混合模型模拟环件短流程铸辗复合成形过程,结果表明,混合建模能根据环件整体和各位置所需表现尺度的不同,应用不同层次的宏微观模型分别模拟,有效提高了铸态环件短流程铸辗复合成形工艺的模拟效能。

热成形过程微观组织模拟研究进展

金属在热成形过程中微观组织发生诸如晶粒长大、再结晶等一系列的复杂变化,会直接影响加工过程与产品的力学性能。对近年计算机技术在热成形微观组织演变模拟方面的研究进展做了比较全面的评述,比较了相关的微观组织模拟方法,分析了利用各种模拟技术所取得的研究成果。

飞机结构腐蚀数值仿真模拟的研究进展

系统介绍了飞机结构腐蚀数值仿真模拟中应用较为广泛的元胞自动机方法、有限元方法、边界元方法,尤其是它们在点蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀仿真的研究现状,并对各自方法的优点和缺点与适用的范围进行了阐述,以期对该领域的研究者提供一定的导向作用。

模拟固体中波动过程的细胞自动机建模研究

从统计物理的原理出发，首先分析了采用细胞自动机研究波动问题的建模方法，给出了一种研究弹性介质中纵波传播过程的细胞自动机模型，讨论了该模型中粒子数密度函数所满足的运动方程和对应的宏观方程．为了检验方法的正确性，对同一数值模型将细胞自动机方法的计算结果与波动方程的有限差分解进行了对比．结果表明，本文所采用的方法是可行的．

数值模拟在金属腐蚀与防护领域的应用研究现状

如何准确研究金属的腐蚀失效行为,快速评价材料的耐蚀性能,进而提供有效的腐蚀防护措施是腐蚀领域一直关心的热点话题。为了弥补常规实验研究方法周期长、实验样本小等不足,近年来研究者开始采用数值模拟的方法研究金属腐蚀机理、预测腐蚀寿命以及对金属构件进行防腐保护设计。综述了元胞自动机、人工神经网络和边界元法3种数值模拟方法各自的特点以及在金属腐蚀与防护领域中的应用,以期为解决复杂腐蚀问题寻找新的方法和途径。

从力矩分配法到元胞单元法

力矩分配法是结构力学中的一种渐近计算方法 ,一般只能用于连续梁或无侧移刚架的计算。研究表明 ,若将该方法中的力矩延拓为广义力 ,可得到一种能应用于任何杆系结构的广义力分配法。若在此基础上 ,再引用有限元离散技术 ,则可演化出一种有别于传统有限元法的新的数值计算方法——元胞单元法。在简要回顾经典力矩分配法之后 ,引申出广义力分配法和元胞单元法 ,以平面和空间刚架计算为例 ,描述了元胞单元法解题步骤和计算结果。

基于进化元胞自动机的结构拓扑优化

实现元胞自动机算法自组织演化机制的关键是建立适合问题的局部规则。传统的方法是根据人们的经验或 其他算法得到的结果来建立局部规则,被称为局部间接规则。为了解决局部间接规则存在的局限性,计算量大等 缺点,提出用进化建立元胞自动机局部直接规则的方法。通过建立结构优化的多目标优化模型,用遗传算法寻求 最优的演化规则,得到适应相应问题的解。由仿真结果可见用遗传算法建立的元胞自动机局部直接规则对复杂系 统的自组织问题是很有效的。

基于元胞自动机的钻柱力学模型建立和求解

针对钻柱力学中的几何非线性问题和接触非线性问题的特点,利用元胞自动机的基本理论建立了基于元胞自动机的钻柱力学模型。在此基础上,给出几何非线性问题元胞单元法和接触非线性问题元胞单元法较详细的计算步骤。通过2个具体算例进行了数值试验,分析对比后对元胞自动机求解钻柱系统非线性问题的优点和存在的问题进行了讨论,提出进一步研究的方向。