Numerical simulation of 3D-microstructures in solidification processes based on the CAFE method

It was analyzed that the finite element-cellular automaton （CAFE） method was used to simulate 3D-microstructures in solidification processes. Based on this method, the 3D-microstructure of 9SMn28 free-cutting steel was simulated in solidification processes and the simulation results are consistent with the experimental ones. In addition, the effects of Gaussian distribution parameters were also studied. The simulation results show that the higher the mean undercooling, the larger the columnar dendrite zones, and the larger the maximum nucleation density, the smaller the size of grains. The larger the standard deviation, the less the number of minimum grains is. However, the uniformity degree decreases first, and then increases gradually.

多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的动力学响应分析

为了研究均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合响应过程和多胞子弹对夹芯梁的加载效果,对该冲击过程开展了理论分析、数值模拟和试验研究:通过将泡沫夹芯梁等效为单梁以简化分析,基于多胞子弹的冲击波模型和泡沫夹芯梁的等效单梁响应模型,构建了多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的耦合分析模型,给出了冲击过程中各响应阶段的控制方程,并结合龙格-库塔方法对方程进行了数值求解;基于三维Voronoi技术,开展了均匀/梯度多胞子弹冲击泡沫夹芯梁的细观有限元模拟;在多胞子弹的冲击测试平台上进行了试验研究,结合高速摄影技术获取了多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度响应。结果表明:耦合分析模型可以准确地预测多胞子弹和泡沫夹芯梁的速度历程曲线以及多胞子弹产生的冲击压强;在初始动量相同但密度分布或初速度不同的多胞子弹冲击下,同一构型的泡沫夹芯梁展现出不同的力学响应,这说明多胞子弹的加载不能简单地等效为脉冲加载,多胞子弹与夹芯梁之间的耦合效应不可忽略;相较于均匀多胞子弹,梯度多胞子弹的冲击压力波形更加尖锐,在其衰减过程中展现出更强的非线性特征。

VB和计算机图形学在多孔材料中的应用

结合多孔材料的特点,用计算机图形学的图象处理技术以及Visual Basic的强大功能,编写了针对多孔材料二值图象的结构分析软件(BWJScan),能分析多孔材料的孔隙率、孔径及孔径分布、形状系数,并能获得多孔材料的有限元模型,为进行有限元模拟打下了基础。

Al-Si合金凝固组织的三维模拟及预测

用有限元商业软件PROCAST中的CA-Fé模型,对不同工艺条件下Al-Si合金A104的凝固组织进行了三维模拟及预测,并进行了热态验证实验.研究结果表明,模拟结果与实验结果基本吻合,能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小;当浇注温度从903K增大到993K,铸件凝固组织中柱状晶比例由22%增大到45%,且晶粒组织明显变得粗大;当冷却强度从500W/(m2·K)增大到4000W/(m2·K),铸件凝固组织中柱状晶比例明显增大,由14%增大到38%.

基于CAFE法优化易切削钢9SMn28锰硫比

应用CAFE法,模拟了易切削钢9SMn28三维微观凝固组织及其结晶过程。模拟结果与实验结果吻合较好,模拟结晶过程与实际结晶过程相符。模拟优化了易切削钢9SMn28最佳的锰硫比,确定的最佳值为4.44,即锰为1.2wt%、硫为0.27wt%,并通过热力学计算分析了原因。

碳与磷含量对易切削钢9SMn28微观组织的影响

应用元胞自动机-有限元模型（CAFE）,模拟了不同碳、磷含量对易切削钢9SMn28凝固组织的影响,并通过热力学计算分析结果,优化了钢中的碳、磷含量。模拟结果表明,C含量在0.09 wt%-0.16 wt%时,随C的增加,柱状晶随之而减小;C含量从0.09 wt%增加到0.15 wt%时,晶粒逐渐细化。P含量在0.02 wt%-0.10 wt%时,随P的增加,晶粒逐渐细化。同时,对C、P模拟结果进行了实验验证,实验与模拟结果吻合较好。因此,易切削钢9SMn28的C与P含量应该分别取0.15 wt%及0.10wt%,可以有效地改善9SMn28的凝固组织。

Al-Si合金凝固组织的数值模拟及预测

建立有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的宏微观耦合的CA-FE模型,模拟不同工艺条件下Al-Si合金的凝固组织,进行了热态验证实验。结果表明,模拟结果与实验结果基本吻合,能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小;随着浇注温度的提高,铸件凝固组织中柱状晶比例逐渐增大,且晶粒明显变得粗大;铸锭的凝固组织主要受铸模本身冷却能力的控制,而受外界的冷却强度影响不大,随着铸模厚度的增大,凝固组织中柱状晶比例逐渐增大。

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。

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。

基于CA-FE的双辊连铸纯铝凝固组织模拟

鉴于双辊薄带连铸等轴晶区半固态铸轧组织对产品性能的重要性,应用Procast软件中的CA-FE方法对工业纯铝在水冷钢辊连续铸轧中的凝固过程进行了模拟,建立了宏观温度场、浓度场和微观生长过程耦合的凝固组织模拟模型。以CA(Cellular Automaton)模型为基础,建立了晶粒生长过程的局部演变规则,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。应用建立的微观组织模型,研究了工艺参数对凝固组织的影响。模拟结果与实验结果基本吻合,检验了模型的正确性与适用条件。

基于CAFE法优化易切削钢9SMn28锰、硅、硫含量

应用CAFE法,模拟了不同锰、硅、硫含量对易切削钢9SMn28凝固组织的影响,并通过热力学计算分析了原因,优化了钢中的锰、硅、硫含量,得出结论如下:Mn含量在0.9%～1.3%时,随Mn的增加,柱状晶减小;当Mn含量从0.9%到1.2%时,晶粒逐渐细化。Si含量在0.02%～0.10%时,随Si的增加,柱状晶略有减小;当Si含量从0.02%到0.08%时,晶粒逐渐细化。S含量在0.24%～0.36%时,随S的增加,柱状晶减小,晶粒逐渐细化。因此,从凝固组织方面考虑,易切削钢9SMn28的Mn、Si、S含量应分别为1.2%、0.08%、0.36%。同时,对优化了的锰、硅、硫含量进行模拟,有效的改善了9SMn28的凝固组织。

基于CAFE法的单晶铜杆热型连铸过程晶体生长模拟

基于元胞自动机(CA)和有限元(FE)耦合法对单晶铜杆热型连铸过程中晶粒生长及演化过程进行了模拟,获得了稳定状态下铸棒内温度分布及液固相界面的位置和形态,模拟了连铸初期沿热流方向细小等轴晶快速合并形成柱状晶的过程,采用截面形态和极图法分析了定向凝固条件下各个生长时刻的晶粒形貌和晶粒生长取向以及晶粒竞争生长过程中的快速淘汰和慢速淘汰阶段,为热型连铸工艺优化提供了依据。

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。

新型空心球结构的压缩力学性能

提出新型空心球结构,该结构是将球体上穿孔的空心球按照体心立方体进行排列和连接.通过实验研究了3D打印的单胞和胞元组合结构的压缩力学性能,建立单胞结构的三维有限元数值模型,实验结果验证了有限元模型的有效性.通过数值模拟研究穿孔空心球壁厚和孔径对结构弹性模量以及初始屈服应力的影响.结果表明,单胞结构的变形行为包括弹性变形、坍塌变形以及结构的自接触行为;多胞组合结构的变形过程包括弹性阶段、大变形阶段以及致密化阶段,其中大变形是由结构的层层连续坍塌变形所导致的;结构的弹性模量和初始屈服应力随壁厚的增大而增大,随孔径的增大而减小;与壁厚变化相比,结构的力学性能对孔径变化更为敏感.

定向凝固Ti-46at.%Al合金晶粒组织形成CAFE模拟

为了深入理解TiAl合金定向凝固过程中晶粒组织演化特点,采用CAFE模型(元胞自动机CA-有限元FE)模拟研究Ti-46at.%Al合金定向凝固过程中晶粒组织形成。借助文献中微重力定向凝固实验结果验证模型。考察了形核过冷度和自然对流强度对柱状晶向等轴晶转变(CET)、晶粒尺寸、晶粒延长因子以及偏析分布的影响。模拟结果表明:降低形核过冷度可以获得完全等轴晶组织。对于完全等轴晶组织,增大流动强度会加重铸件晶间偏析,而对凝固组织形貌以及晶粒尺寸、延长因子分布无影响。增加形核过冷度,发生CET。流动强度增加导致CET延迟,促进长形晶和等轴晶混合生长,增大晶粒尺寸和延长因子以及加重偏析。CAFE模型可以被用于预测TiAl合金晶粒组织形成以及分析控制机理。

基于CAFE模拟双辊连铸纯铝凝固微观组织

鉴于双辊薄带连铸等轴晶区半固态铸轧组织对产品性能的重要性,基于热传输、流动传输、溶质传输等基本传输过程以及晶粒生长物理过程,建立了双辊连续铸轧纯铝凝固过程的宏观温度场、浓度场、微观组织及枝晶形貌演化的三维数学模型.采用CA-FE法对双辊连续铸轧纯铝在水冷钢辊连续铸轧中的凝固过程进行了模拟,采用光学显微镜研究了铸轧工艺参数对凝固组织的影响.数值模拟结果表明,所建立的数学模型能够合理描述晶粒沿任意角度生长的过程,温度场、溶质场和微观组织形貌的模拟计算结果合理.模拟结果与实验结果基本吻合,检验了模型的正确性.

基于一种改进CA模型模拟双辊连续铸轧纯铝微观组织

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)-有限元(Finite Element,简称FE)模型基本原理,建立了适应双辊连续铸轧纯铝薄带工艺特点的凝固过程形核和晶体生长的数学模型.模型耦合了宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑了溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义了界面单元捕获规则,能够模拟凝固过程中枝晶生长的形态.应用本模型对双辊连续铸轧纯铝薄带凝固过程中等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及柱状晶生长、柱状晶向等轴晶演化进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性.

平面多孔结构裂纹扩展研究

基于有限元仿真和实验研究了拓扑形状、单元方向以及孔隙率对平面多孔结构裂纹扩展的影响。通过对有限元仿真变形和应力分布的分析,提出抑制裂纹萌生和扩展的思路和途径,在此基础上,利用微机控制电子万能试验机进行了三点弯曲实验,并与有限元仿真结果进行对比分析,验证了所提出的抑制方法。结果表明:内凹形拓扑抑制裂纹萌生和扩展的能力最强,正三角形拓扑抑制裂纹萌生的能力最弱,正六边形拓扑抑制裂纹扩展的能力最弱;单元方向对正三角形拓扑影响较大,对其余拓扑形状影响较小;孔隙率对多孔结构裂纹萌生和扩展的影响依赖于拓扑的形状。

不完整因子条件下内凹六边形微结构面内动态性能研究

为更好地了解不完整因素对微结构材料动态性能的影响,本文中以内凹六边形负泊松比微结构为研究对象,采用Hyperworks和Ls-dyna联合仿真分析方法,分析了胞壁缺失下不完整因子和冲击速度对其面内动态性能的影响,分别得到变形模式、应力-应变曲线、平台应力曲线和吸能曲线。结果表明,在相同冲击速度下,不完整因子的增加会使稳定有序的变形模式逐渐趋于杂乱无章,同时平台应力和吸能能力降低。在低速冲击下,不完整因子对其动态性能影响较小;而在高速冲击下,不完整因子对其动态性能影响较大,应尽量避免不完整因子的存在。该研究结果为微结构材料在车辆吸能件的应用提供了数据支持。

微元胞缺失下三星型微结构面内动态性能分析

由于制造精度和生产工艺等原因,微结构材料内部往往会出现胞元缺失,从而对其整体性能产生影响。以三星型微结构为研究对象,首先,采用准静态压缩试验对模型可靠性进行了验证;其次,通过有限元软件Hyperworks和显示动力有限元软件LS-DYNA对其进行联合仿真分析,得到不同冲击速度和不同微元胞缺失数目下该三星型微结构的变形模式、应力-应变曲线、吸能曲线和平台应力对比曲线。结果表明:当冲击速度处于一定范围(20~80 m/s)时,微元胞缺失数目越多,三星型微结构的负泊松比效应(negative Poisson’s ratio,NPR)越弱,从而平台应力显著降低,吸能特性减弱;而在微元胞缺失数目相同的条件下,冲击速度越高,平台应力越大,吸能量越多。该研究为其在车辆吸能件中的应用提供数据支持。