Microstructure of aluminum twin-roll casting based on Cellular Automation

Nucleation and growth model based on Cellular Automation(CA) incorporated with macro heat transfer calculation was presented to simulate the microstructure of aluminum twin-roll casting. The dynamics model of dendrite tip (KGT model) was amended in view of characteristics of aluminum twin-roll casting. Through the numerical simulation on solidification structure under different casting speeds, it can be seen that when the casting speed is 1.3 m/min, that is, under conditions of conventional roll casting, coarse columnar grains dominate the solidification structure, and equiaxed grains exist in the center of aluminum strip. When the casting speed continuously increases to 8 m/min, that is, under the conditions of thin-gauge high-speed casting, columnar grains in solidification structure all convert into equiaxed grains. Experimental and numerical results agree well.

电力机车底架前端结构耐撞性拓扑优化研究

为提高电力机车碰撞安全性,文章以某型电力机车车体为研究对象,对底架前端部位开展耐撞性动态拓扑优化研究。首先,建立电力机车有限元模型,通过基于混合元胞自动机法的动态拓扑优化分析得到底架能量流动的主要路径;然后,结合电力机车车体结构特点,对底架前端结构进行优化设计与铝蜂窝吸能材料填充;最后,将优化前后的有限元模型进行碰撞仿真计算对比。研究结果表明:优化后的车体碰撞峰值加速度为402.56 m/s^(2),较优化前的车体碰撞峰值加速度663.04 m/s^(2)降低了39.29%,优化后碰撞峰值界面力比优化前降低35.71%,验证了机车耐撞性结构拓扑优化设计的合理性与有效性,提升了该型机车的耐撞性能。

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。

强制流动下铝铜合金激光焊接熔池凝固过程组织演化模拟

建立一个元胞自动机-有限差分-格子玻尔兹曼耦合模型(CA-FD-LB coupled model),对Al-Cu合金激光焊接熔池凝固全过程枝晶的演化开展模拟研究。模拟结果表明,顶盖驱动流一级、二级涡位置和文献结果吻合得非常好;等温纯扩散条件下,枝晶尖端生长速度与过冷度的关系和Lipton-Gilicksman-Kurz(LGK)模型的结果吻合良好。对流作用下枝晶的生长形貌呈现出不对称性,是因为枝晶上游尖端在流动挤压冲刷作用下溶质扩散层变窄,浓度梯度变大,生长得到促进,下游反之。此外,对流加速凝固过程,缩短了凝固时间。焊缝柱状晶平均长度的模拟和实验测量结果分别为117μm和91μm,相对误差约为28.6%,可见耦合模型可靠。

闭孔泡沫铝的孔结构控制

为适应高技术应用中超轻闭孔泡沫铝对孔结构更高的控制要求,对过去十余年中进行的相关研究工作进行了系统整理,发现了胞体尺寸、孔隙率和孔形貌三者之间的内在关系,确定了孔结构控制的关键步骤和相互关系,建立了熔体发泡法影响孔结构控制的工艺技术框架,结合该框架系统论述了3个关键孔结构控制参数(胞体尺寸、孔隙率和孔形貌)与实际应用、制备技术、工艺过程的关系.研究表明,孔结构演变和制备技术工艺中黏度、发泡时间、凝固方式等诸多因素相互影响,互为因果,使得发泡和凝固过程变得十分复杂,给孔结构控制带来困难.要获得高孔隙率泡沫铝,对于纯铝泡沫,不仅需要根据熔体泡沫化时间与孔隙率的对应关系精确控制孔隙率,而且要在孔隙率-时间平台段适时凝固以控制孔径和均匀性,而对于泡沫铝合金,还需要采用多向凝固模式,克服凝固过程中固-液两相区的附加力场引发的收缩问题.对于新型球形孔泡沫铝合金,则需要进一步控制适量的发泡剂(1.0%)和发泡搅拌时间(100 s),使平台段降至低孔隙率阶段.面对高技术领域新的需求,提出的二次发泡法较其他技术在制备异型件方面具有更大的优势,并且其延伸发展技术在多功能大型面板开发上具有进一步发展的潜质.

胞状铝的压缩形变和吸能性能研究

研究了胞状铝的压缩形变特征以及孔隙率、孔径对吸能性能的影响 ;提出了不同孔隙率和孔径的胞状铝吸能性能的综合判别方法 .

浮游植物对溶解态Al的清除作用实验研究

近期黄、东海溶解态Al调查结果显示,赤潮爆发过程中溶解态Al的含量会明显降低,说明浮游植物生长对Al的生物地球化学循环有着重要的影响。在此背景下通过实验室培养,探讨了不同浓度Al加富条件下部分硅藻(新月菱形藻、中肋骨条藻、威氏海链藻)和甲藻(东海原甲藻)对溶解态Al的清除机制。结果表明:培养液中溶解态Al在硅藻的指数生长期会出现明显的下降,在衰亡期略有回升,而甲藻生长过程对水体中溶解态Al的这种清除相对于硅藻并不明显。采用痕量元素淋洗试剂对浮游植物进行淋洗,以区分细胞内结合态Al和细胞外吸附态Al的含量。淋洗实验结果表明:指数生长期硅藻细胞内结合态Al占浮游植物细胞内总Al含量的比例约为20%—80%,且稳定期的硅藻细胞内结合态Al的比例较指数生长期有不同程度的增加,说明硅藻在生长过程中会主动吸收溶液中的溶解态Al,实验结果对深入认识Al的海洋生物地球化学循环提供了重要的证据。

铝合金汽车前碰撞横梁的轻量化设计与碰撞性能分析

基于显式动力学有限元分析软件,以混合细胞自动机(HCA)作为优化计算模型,对铝合金前碰撞横梁的结构进行优化设计。针对拓扑优化结果,采用模拟退火法优化横梁壁厚尺寸,获得薄壁、中空且带有加强筋结构的铝合金前碰撞横梁设计方案。以6061铝合金前碰撞横梁替代某车型原钢质横梁,通过台车碰撞进行仿真模拟与实验验证。结果表明:铝合金前碰撞横梁比原钢质前碰撞横梁质量减轻了25%,且具有较高的抗弯曲强度,低速碰撞下,铝合金前碰撞横梁较原钢质件系统吸能提高了45.6%。

铝带铸轧凝固过程中的枝晶生长模拟

采用元胞自动机方法(Cellular Automation Method)模拟铝带铸轧过程中晶粒的生长,模拟过程中用简化的二元合金模拟了过冷熔体中枝晶的生长,且过冷熔体中枝晶的生长模型采用LGK模型。在枝晶生长的基础上模拟了铝带在铸轧过程中冷却及铸轧速度引发的过冷度对晶粒生长的影响。结果表明,在形核率一定的情况下,过冷度越大,晶粒越大。

铝熔体泡沫化过程体积变化与胞状组织的演变

采用实时测量铝熔体发泡过程中体积变化的方法 ,对不同发泡时期形成的泡沫铝样品孔的结构分布进行了分析 ,研究了铝熔体泡沫化过程中熔体体积变化的规律以及胞状组织演变 .

某高层建筑蜂窝铝板幕墙安装技术及有限元分析

某高层建筑外檐采用明框玻璃幕墙和蜂窝铝板幕墙,蜂窝铝板幕墙分布在各立面洞口部位玻璃幕墙之间,凸出明框玻璃幕墙面200 mm,视觉效果层次分明;蜂窝铝板幕墙横向分格设计跨度比较大,以一层一分格,整体效果较为整齐。蜂窝铝板幕墙骨架选用40 mm×60 mm×4 mm矩形钢管作为支撑骨架,经计算分析,骨架的最大应力为204.304 MPa,最大挠度为7.476 mm;铝面板最大应力为3.006 MPa,最大挠度为0.954 mm,骨架和面板的强度和刚度均满足要求。

基于元胞自动机法的铝合金腐蚀行为模拟

基于元胞自动机方法从介观的尺度对铝合金的腐蚀行为进行模拟。结合金属的局部腐蚀机理,建立了一个新的扩散和空间分离电化学反应耦合的点蚀模型,根据阴极和阳极半反应的物理化学过程,对铝合金点蚀的扩展、离子的扩散和腐蚀产物的生成进行模拟。通过调节参数λ和ε的值模拟了蚀坑内阳极区的自催化现象,并得到了单个蚀坑的腐蚀形貌随着模拟时间的变化情况,将模拟结果与铝合金的实际腐蚀形貌进行对比。结果表明,元胞自动机方法可以实现铝合金电化学腐蚀的复杂模拟,这对于理解铝合金腐蚀以及研究材料的结构完整性有着重大的意义。

泡孔结构对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响

采用渗流工艺制备出不同孔径的均匀孔结构和混合孔结构的开孔泡沫铝,研究了孔结构(孔径大小及其比例分布)对开孔泡沫铝压缩力学性能的影响。结果表明:对于均匀孔径的开孔泡沫铝而言,在相对密度不变的条件下,孔径大小对其压缩性能几乎没有影响;而当泡沫铝的孔结构是由不同尺寸的孔相混合时,则大孔与小孔的相对体积比对其力学性能,特别是弹性模量具有较大影响,大、小孔径按适当比例混合可使开孔泡沫铝相对密度降低而刚度显著升高。

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。

闭孔泡沫铝材料十四面体模型的改进

基于对闭孔泡沫铝发泡过程更为合理的假设,提出了描述胞体结构的改进的十四面体模型,使之可以反映密度增大时质量集中于支柱和顶点的情况。采用有限元方法及耦合边界条件,研究了闭孔泡沫铝的相对弹性模量、泊松比等弹性特征与胞体参数的关系,给出了拟合的弹性模量的计算公式,并对模型在弹性压缩变形下应力分布进行了分析。通过与已有模型的比较表明,改进模型可以较好地模拟闭孔泡沫铝材料的弹性性能。

基于CAFE的铝双辊连续铸轧凝固微观组织

基于元胞自动机CA的形核和长大模型与宏观传热模型相耦合对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织进行了模拟,模拟计算中采用连续性异质形核模型和修正的枝晶尖端生长动力学模型(KGT)。另外,模拟研究了铸轧工艺参数和金属凝固参数对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固微观组织的影响规律。模拟结果可很好地解释和预测啮合点前柱状晶和等轴晶之间的转化和晶粒尺寸大小,柱状晶主要分布在靠近铸轧辊面附近,等轴晶则是远离铸轧辊面而靠近薄带的中心区域。

开孔铝泡沫材料应力增强的研究

高孔隙率泡沫金属材料由于其具有较长的应力平台可以吸收较多的能量,在结构耐撞性设计中有重要的应用前景。通过实验研究和数值模拟发现:开孔铝泡沫材料在较高撞击速度作用下,会出现输出端的应力比加载端的应力增大,从而使被保护的物体受到更严重的伤害,此时开孔铝泡沫材料的变形尚未进入密实化阶段。这与人们采用多孔金属材料作为防撞性材料目的正好相反,必须给予重视。随着试件厚度的增加,出现这种应力增强的时间延迟。不同孔径、不同相对密度的开孔铝泡沫材料在不同撞击速度的作用下,应力时程曲线变化趋势基本相同,而且也会出现应力增强。研究结果可为防护装置可靠性评估和新型泡沫金属材料的设计提供依据。

闭孔泡沫铝特征统计及其变形行为实验研究

以椭圆拟合长方体闭孔多边形泡沫铝表面孔截面,运用统计学的方法研究了泡沫铝试件表面孔的大小、形状和方位等分布特征.统计结果表明:上述孔的各项几何特征参数除方位外服从高斯分布.应用图像处理技术,获取了单轴压缩变形前后泡沫铝试件的表面图像.利用序列数字图像相关方法对泡沫纯铝变形前后的图像进行相关计算,获得了静态单向压缩条件下闭孔泡沫铝材料表面全场变形及局部孔结构的变形,同时根据试验结果计算了试件的名义应力-应变曲线,给出了压缩过程中孔壁的失效顺序和破坏规律.对块体材料的压缩实验表明,泡沫纯铝是以多个断裂带的形式破坏和吸收能量.

汽车铝合金直推杆的断裂失效分析

汽车铝合金直推杆在使用过程中出现了断裂,对此进行失效分析。结果表明:直推杆的硬度符合技术要求,化学成分中铁元素含量超标,基体组织上存在网状铁相杂质,这会显著降低材料的力学性能;断口上的树枝晶和胞状晶之间有大量的空隙和孔洞,这会减少工件的承载面积,在受到外力作用时产生应力集中而断裂。针对上述开裂原因采取了去除铝合金中的铁杂质和优化铸造工艺两项措施,彻底解决了直推杆的开裂问题。

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。