[發明專利]一種基于相場法的彎曲枝晶生長模擬方法

在審

• 申請號: 201810042749.0
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108254485A
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 魏艷紅;王磊;劉仁培
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N31/00
• 分類號: G01N31/00
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

一種基于相場法的彎曲枝晶生長模擬方法，包括如下步驟：簡化條件與模型初始化；建立宏觀溫度場方程和瞬態枝晶生長偏向角方程；建立微觀組織演變模型，基于金茲堡?朗道理論，建立模擬彎曲枝晶生長的相場模型；宏觀?微觀耦合計算，將宏觀溫度場和枝晶生長偏向角引入到相場模型中，計算彎曲枝晶的生長過程，最終獲得彎曲枝晶形貌。本發明可以定量地模擬和預測凝固過程彎曲枝晶的形成，動態的再現凝固微觀組織的形成過程，有助于深化理解凝固微觀組織演變過程，為微觀組織演變研究及工藝優化奠定了基礎。

技術領域

本發明屬于彎曲枝晶生長研究領域，具體涉及一種基于相場法的彎曲枝晶生長模擬方法。

背景技術

凝固過程一直以來都是諸多研究學者的重點研究課題，因為復雜的凝固過程能夠決定構件的最終凝固微觀組織，從而影響其力學性能。學習和研究復雜的凝固過程和形成的最終微觀組織，可以為工藝優化提供寶貴的理論基礎和數據經驗。

傳統研究多是建立在實驗數據及經驗的基礎之上，不僅研究過程漫長，資金花費巨大，而且往往難以滿足不斷提高的工藝精度和精確性的要求。隨著計算機技術的快速發展以及凝固理論的不斷完善，采用數值模擬方法研究凝固微觀組織演變過程成為可能。利用數值模擬技術可以定量地模擬和預測凝固過程晶粒形貌變化、晶粒度變化、晶粒分布情況、一次枝晶間距以及二次枝晶間距等重要凝固特征，進而可以有效地分析工藝參數對最終凝固微觀組織的影響，為改善生產工藝提供理論依據。

彎曲枝晶是一種很常見的凝固微觀組織，建立可以定量預測凝固過程彎曲枝晶的形成規律及特點的相場模型，可以豐富凝固理論和優化凝固工藝。

發明內容

本發明針對現有技術中的不足，提供一種基于相場法的彎曲枝晶生長模擬方法，建立了可以定量預測凝固過程彎曲枝晶的形成規律及特點的相場模型。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于相場法的彎曲枝晶生長模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：簡化條件與模型初始化，根據實際情況構建模型；

步驟二：建立宏觀溫度場方程和瞬態枝晶生長偏向角方程；

步驟三：建立微觀組織演變模型，基于金茲堡-朗道理論，建立模擬彎曲枝晶生長的相場模型；

步驟四：宏觀-微觀耦合計算，將宏觀溫度場和枝晶生長偏向角引入到相場模型中，計算彎曲枝晶的生長過程。

為優化上述技術方案，采取的具體措施還包括：

所述步驟一中，在建立模型的過程中進行了如下假設：

固液界面的初始狀態是一個平面晶形態，并且以定向凝固的形式進行推進，忽略固液相變過程中潛熱對凝固微觀組織形成的影響；

此外，在構建模型的過程中，引入一個相場參量，相場參量的變化代表了固液界面的移動過程；并且對隨溫度和溶質分數不同發生非線性變化的參數進行簡化。

所述步驟二中，忽略固液相變潛熱的影響，定義溫度場控制方程：

T(Z，t)＝T₀+G(Z-V_pt)

其中，T(Z，t)為溫度場分布情況，Z是平行于枝晶生長方向的坐標，t是凝固時間，T₀＝T(Z₀，0)是參考溫度，G是溫度梯度，V_p是界面推進速度；

枝晶生長偏向角是與時間相關的函數：

α＝f(t)

其中，α是枝晶生長偏向角，f(t)是偏向角α關于時間t的表達式。

所述枝晶生長偏向角具體為：