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。

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 。

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。

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。

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。

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。

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。

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 。

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。

基于自组织规则的热力耦合解析

为解决平面微小结构设计问题中的可变边界条件、多物理场耦合效应等解析难题,利用平面微小结构连续性单元同桁架单元应变能相等的机理,提出了基于元胞自动机的热力耦合解析方法.以发光二极管(LED)基板热力耦合现象为研究对象,通过LED基板温度、位移及热应力耦合的数值结果与有限元解析结果的比较,证明了方法的有效性.适用于平面微小结构的热力耦合规则的提出,为复杂多物理场条件下的微结构工程设计提供了一个具有灵活性的性能解析途径.

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。

面向大型金属工件组织模拟与预测的元胞自动机-有限元模型(英文)

基于能量最低原理,本文建立了适用于金属材料塑性变形过程中动态再结晶组织模拟的元胞自动机模型。模拟结果表明:晶界和第二相粒子对位错运动的阻碍作用有利于动态再结晶形核;变形组织中晶粒尺寸符合Weibull分布,平均晶粒边数随着变形量的增加逐渐增大至理想值6。将有限元方法和元胞自动机模型的耦合,本文模拟了金属材料的多道次热轧过程,分析了轧板中再结晶晶粒尺寸及分布、再结晶分数及分布。与实验结果的对比分析表明。

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.

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。