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。

二维弹性问题无网格元胞自动机算法

为了避免因网格畸变带来误差,本研究基于元胞自动机的思想发展了一种无网格计算方法。该方法将二维弹性问题的区域离散成随机分布的点,借用有限元方法中的差值概念建立区域中任意一点和其邻域内的其它点之间的位移与力的关系,以此为局部规则,构建了适用于求解二维弹性力学问题的元胞自动机。依据边界条件,元胞自动机自行演化,直至各离散点的位移收敛进而求得弹性问题的解。数值算例表明,该算法简单、正确,可以方便地和有限元结合,增加数值模拟的灵活性,同时,它在并行计算领域具备很大的潜力。

基于元胞自动机有限元法对方坯凝固组织的数值模拟

基于元胞自动机有限单元法(CAFE)对国内某钢厂220mm×220mm方坯的三维显微凝固组织进行模拟,分析了CAFE法模拟凝固过程显微组织的物理本质,对形核密度、枝晶尖端生长动力学、枝晶生长的择优取向以及FE与CA耦合的实现分别进行了探讨。用该方法对方坯的三维显微组织进行模拟,并对结晶器出口处方坯的角部温度、中心表面温度及坯壳厚度进行了计算。模拟结果表明:当拉速为0.85m/min,浇铸温度为1 535℃,浇钢过热度为30℃时,结晶器出口处方坯角部温度在850～950℃之间,中心表面温度在1 050～1 170℃之间,坯壳厚度在15mm左右,铸坯柱状晶发达,等轴晶比率较小。模拟的铸坯组织的等轴晶比例与低倍试验结果吻合较好,可以很好地预测方坯实际凝固组织。

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 。

元胞自动机-有限元法模拟碳当量元素对亚共晶球墨铸铁流动性的影响

优化了元胞自动机-有限元法(CAFE)模拟球墨铸铁晶粒组织的参数系统。基于前期大量试验结果,对共晶晶粒的面形核参数和体形核参数进行了优化,并利用优化后的参数对不同碳、硅质量分数的球墨铸铁螺旋试样的流长和流股尖端的凝固组织进行了模拟。在验证试验中,针对难以观测到的球铁共晶晶粒,采用构网算法实现了晶界建模,分别将得到的螺旋试样流长、Voronoi晶粒分布图与模拟结果进行对比。结果表明:在对亚共晶球铁试样进行增碳或增硅处理后,螺旋试样流股末端的晶粒得到了细化,试样流动性得到了提高。此外,模拟结果与试验验证结果的吻合度较高,证明可通过数值模拟评价试样的流动性。

72A帘线钢小方坯凝固组织的CAFE法模拟

采用元胞自动机(CA)-有限元(FE)耦合模型,模拟了某厂连铸参数下72A帘线钢小方坯的凝固组织,模型中加入了相变(l→γ→α)与电磁搅拌(EMS)对凝固过程的影响,随后通过此模型对该厂72A帘线钢最佳浇注温度进行了讨论。结果表明,由该模型模拟得出的温度曲线、凝固组织与实际测量结果符合的好;综合考虑铸坯质量与生产顺行,在不改变现行连铸参数条件下,浇注温度需控制在1495℃左右为宜。

成分对CAFE法凝固组织模拟计算的影响

运用元胞自动机(CA)与有限元(FE)相耦合模型的ProCAST软件,模拟计算了Q345钢铸坯的凝固组织,比较了不同合金成分含量对凝固组织的影响。研究结果表明,综合考虑铸坯质量,在不改变边界条件与形核动力学参数的条件下,合金成分w(%)选取0.18C、1.60Mn、0.35Si为宜。

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。

三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题求解方法

目前研究钻柱与井壁多向接触问题普遍采用罚函数法、间隙元法、形式刚度法和放松约束法等,其计算速度慢,难以满足工程应用要求。通过建立三维弯曲井眼钻柱有限元模型和钻柱与井壁接触碰撞的定解条件,利用元胞自动机的基本理论,提出了一种基于元胞自动机的钻柱多向接触非线性有限元方程的求解方法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,能够较好地解决钻柱在三维弯曲井眼中与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,适用于三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题的求解。

CA-FE法凝固组织数值模拟的应用研究进展

论述了CA-FE(元胞自动机-有限元)法模拟金属材料凝固微观组织的原理及国内外的研究现状,提出了目前存在的问题和进一步的研究趋势,特别是应用到有色金属材料和贵金属材料的凝固微观组织的计算机模拟研究中。

Fe-0.04%C合金焊缝熔池凝固过程中枝晶生长及溶质浓度分布模拟

基于枝晶生长的扩散界面模型,改进元胞自动机法,并结合有限差分法,综合考虑浓度场、温度场以及熔池形状,建立Fe-0.04%C(质量分数)合金枝晶生长和溶质浓度分布模型。模拟单个等轴晶的生长形貌及枝晶尖端生长速度随时间的变化关系、多个等轴晶的生长形貌和溶质浓度分布、柱状晶的生长形貌和耦合温度场后的柱状晶-等轴晶转变过程,并与实验进行对比。结果表明:取向角对枝晶形貌有一定的影响;枝晶尖端生长速度随时间的延长最后趋于稳定;熔池形状影响柱状晶生长形貌;溶质主要富集在枝晶根部及晶界处。模拟结果与实验结果吻合较好。

Q345钢凝固过程晶粒竞争机制的模拟计算

运用元胞自动机(CA)与有限元(FE)相耦合模型的Pro CAST软件,模拟计算了Q345钢铸坯的凝固组织及晶粒形核与长大机制,比较了不同硫磷含量对凝固组织的影响。结果表明,晶粒竞争生长,择优取向为<100>方向。综合考虑铸坯质量,在不改变边界条件与形核动力学参数的条件下,有害杂质元素硫磷w(%)选取0.02%P、0.04%S为宜。

电渣重熔工艺对GCr15轴承钢凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机-有限元模型),采用ProCAST对电渣重熔方法生产的GCr15轴承钢钢锭的微观组织进行数值模拟,得到了电渣钢锭的晶粒生长过程、熔池形状变化和晶区分布情况,并分析了不同的工艺参数对熔池形状以及凝固组织的影响。熔池深度随着钢锭固相区的扩展而变得越来越深,当钢锭长到一定高度,熔池深度和晶粒生长方向均不再变化。研究结果表明:结晶器冷却强度越大,熔池温度越低,熔池深度与钢锭半径之比h/R越小,而晶粒平均尺寸增大且柱状晶越多;渣池温度越高,h/R越大,晶粒平均尺寸增大;重熔速度是最显著的影响因素,熔速增大,h/R显著增大,柱状晶尺寸增大且数量增多。经过对电渣锭的凝固组织观察试验发现,模拟结果与试验结果有较好的一致性。

过热度、传热系数以及高斯分布参数对Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织的影响

基于CAFE法(元胞自动机CA-有限元FE耦合模型),借助Procast软件对水冷铜模浇铸条件下合金的三维微观组织结构进行模拟,模拟结果与实验结果一致。此外,研究了工艺参数(过热度和传热系数)以及高斯分布参数(平均过冷度、成核密度和过冷度标准方差)对合金凝固组织的影响。模拟结果表明,随着过热度的增大,柱状晶比例逐渐增大,细小柱状晶的晶粒尺寸变大,且CET(柱状晶向等轴晶转变)转化位置向合金铸件内部推移。水冷条件下(传热系数h=5000W/(m^2·K)),Ag-28Cu-2Ni合金凝固组织几乎全为柱状晶,而且晶粒粗大。空冷条件下(传热系数h=2000W/(m2·K)),柱状晶区缩小,等轴晶区占主要部分。缓冷条件下(传热系数h=10W/(m2·K)),铸件的凝固组织几乎全为等轴晶。此外,平均过冷度越高,柱状枝晶区域越大。最大成核密度越大,晶粒尺寸越小。随着标准偏差增大,晶粒分布更加离散化,且晶粒尺寸分布更加均匀。

430不锈钢凝固显微组织模拟的3D CAFE模型

在同时考虑传热、流动和溶质扩散基础上建立了预测铁素体不锈钢多元合金凝固组织的3D CAFE模型,揭示了430不锈钢凝固过程中温度、固相率及晶粒形貌的变化规律.模型中采用高斯分布描述形核密度与过冷度的关系,应用KGT模型描述枝晶的生长过程.根据Fe--C--17%Cr平衡相图确定了430不锈钢的凝固路径,在考虑凝固收缩的基础上预测了铸锭的疏松和缩孔分布.组织模拟结果与实际铸锭基本一致,二者的温度变化和组织结构特征也基本吻合.