[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910690635.1
• 申請(qǐng)日: 2019-07-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110489820B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張敏;黃超;郭宇飛;張文輝;董玉凡;李繼紅
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/20
• 代理公司: 西安弘理專(zhuān)利事務(wù)所 61214
• 代理人: 王蕊轉(zhuǎn)

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化的模擬方法，具體步驟如下：首先對(duì)焊接熔池固條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后然后建立枝晶的形核與生長(zhǎng)模型，最后編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序，輸入合金熱物性參數(shù)以及各種焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算即可得到模擬結(jié)果。本發(fā)明能夠模擬瞬態(tài)條件下焊接溫度場(chǎng)的變化及熔池凝固過(guò)程中枝晶的生長(zhǎng)形貌、溶質(zhì)濃度分布，從而對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用起到指導(dǎo)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬凝固過(guò)程中微觀組織演變數(shù)值模擬領(lǐng)域，具體涉及一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化模擬方法。

背景技術(shù)

焊接作為一種應(yīng)用廣泛的加工方法，以其鮮明的特點(diǎn)區(qū)別于其他加工方法，其中最顯著的特征就是在高度動(dòng)態(tài)的焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)作用下發(fā)生的各種復(fù)雜的物理及化學(xué)變化，這些變化決定著凝固組織的類(lèi)型，晶粒大小等，最終對(duì)加工的質(zhì)量起決定性影響。

在微觀組織的研究領(lǐng)域，傳統(tǒng)方法是通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)最終達(dá)到對(duì)復(fù)雜焊接過(guò)程定量和定性的認(rèn)識(shí)，往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且焊接過(guò)程是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法也難以對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程做出精確的剖析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和相關(guān)熱力學(xué)、凝固理論的不斷完善，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸顯示出實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)等實(shí)驗(yàn)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

目前在微觀組織模擬領(lǐng)域采用最多的方法是相場(chǎng)法和元胞自動(dòng)機(jī)法，兩種方法都能在耦合多物理場(chǎng)的前提下，對(duì)微觀組織演變進(jìn)行計(jì)算，且有很多成功的應(yīng)用。但相場(chǎng)法最大的缺點(diǎn)就是計(jì)算量大，計(jì)算效率低，計(jì)算區(qū)域小，只能模擬為數(shù)不多的幾個(gè)晶粒，這極大的限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。與之相比，元胞自動(dòng)機(jī)法物理基礎(chǔ)明確，具有很好的靈活性，且表現(xiàn)復(fù)雜實(shí)際情況的能力，包括各種形狀和尺寸的晶粒以及實(shí)際晶粒生長(zhǎng)的典型趨勢(shì)，計(jì)算速度比其他方法快，計(jì)算面積大。

所以建立一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化模擬方法顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化模擬方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的微觀組織演變計(jì)算量大，計(jì)算效率低的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種基于元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池微觀組織演化模擬方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、簡(jiǎn)化元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池凝固條件；

步驟2、基于傳熱理論，構(gòu)建焊接過(guò)程中的瞬態(tài)宏觀溫度場(chǎng)模型；

步驟3、基于插值原理，將宏觀焊接溫度場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^組織演變所需的微觀溫度場(chǎng)的宏微觀耦合模型；

步驟4、在得到微觀溫度場(chǎng)的前提下，構(gòu)建基于晶粒形核與生長(zhǎng)建立瞬態(tài)條件下枝晶的形核與生長(zhǎng)模型；

步驟5、計(jì)算及其結(jié)果的可視化。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于：

步驟1中簡(jiǎn)化元胞自動(dòng)機(jī)法的焊接熔池凝固條件包括：

簡(jiǎn)化條件1、整個(gè)凝固過(guò)程中元胞分為液相、固相和界面三種狀態(tài)；

簡(jiǎn)化條件2、模型中忽略動(dòng)力學(xué)過(guò)冷；

簡(jiǎn)化條件3、本模型中固/液界面始終處于平衡狀態(tài)；

簡(jiǎn)化條件4、元胞領(lǐng)域關(guān)系采用V.Neumann型鄰域。

步驟2具體按照以下步驟實(shí)施：

將模擬區(qū)域劃分為大小相等的正方體元胞，溫度場(chǎng)在時(shí)間及空間上的分布可以表示為：

T＝T(x,y,z,t)

非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程為：

式中：ρ為材料密度；c為材料比熱容；T為溫度場(chǎng)分布函數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；為內(nèi)熱源強(qiáng)度；t為傳熱時(shí)間；