[發(fā)明專利]一種多枝晶運(yùn)動相場法并行模擬的碰撞檢測和合并方法

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• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113283048A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏艷紅;劉湘波;劉仁培
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/08
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本發(fā)明公開了一種多枝晶運(yùn)動相場法并行模擬的碰撞檢測和合并方法，屬于微觀組織模擬領(lǐng)域，適用于采用相場法預(yù)測二元單相合金多枝晶在液相中存在平移和旋轉(zhuǎn)的生長過程。該方法提出了不同時(shí)刻已碰撞的多個(gè)枝晶組成的固相顆粒在其內(nèi)部發(fā)生重疊的過濾方法、同一時(shí)刻兩個(gè)或多個(gè)固相顆粒在不同節(jié)點(diǎn)發(fā)生重疊的過濾方法、并行計(jì)算時(shí)在不同CPU中檢測到的相同固相顆粒發(fā)生的碰撞的過濾方法、發(fā)生碰撞的多個(gè)枝晶的合并方法。采用本發(fā)明提出的碰撞檢測和合并方法對具有2個(gè)柱狀晶、4個(gè)等軸晶的方腔流計(jì)算域進(jìn)行了并行試算，結(jié)果表明該方法可以高效準(zhǔn)確地再現(xiàn)所有等軸晶在液態(tài)金屬中發(fā)生的平移、旋轉(zhuǎn)、碰撞和合并等行為。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出的一種多枝晶運(yùn)動相場法并行模擬的碰撞檢測和合并方法，屬于微觀組織模擬領(lǐng)域，適用于二元單相合金的多枝晶生長過程的相場法模擬，且適用于利用相場法模擬枝晶在考慮流動的液態(tài)金屬中的平移、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

背景技術(shù)

凝固過程微觀組織模擬方法經(jīng)歷了確定性方法、隨機(jī)性方法和直接模擬法的發(fā)展歷程，隨機(jī)性方法有蒙特卡洛方法、元胞自動機(jī)方法等；直接模擬方法有水平集方法和相場法等。相比于其余方法，相場法可以有效避免復(fù)雜的相界面跟蹤，可以耦合凝固過程中的宏觀和微觀物理場，定量分析固液界面的曲率效應(yīng)和動力學(xué)效應(yīng)，再現(xiàn)晶粒內(nèi)部的亞晶細(xì)節(jié)，因此成為預(yù)測微觀組織演變的主流方法。

單相二元合金的相場法模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，其中被廣泛采用的一種相場模型是Karma等人提出的QPF(Quantitative phase field)模型。該模型利用序參量Φ表征固、液相及界面，整個(gè)計(jì)算域中，Φ＝1的區(qū)域?yàn)楣滔?，Φ?1的區(qū)域?yàn)橐合啵橛?1至1的區(qū)域?yàn)榻缑?；該模型通過薄界面分析使界面層寬度的選取可以大于金屬材料實(shí)際的界面厚度以提高模擬效率；又通過引入反溶質(zhì)截留項(xiàng)克服了增加界面厚度所引起的溶質(zhì)陷落現(xiàn)象。利用QPF模型模擬單晶生長可以取得良好的結(jié)果，而實(shí)際的金屬凝固往往是眾多枝晶同時(shí)形核和生長的過程。據(jù)此，有學(xué)者在單序參量QPF模型的基礎(chǔ)上提出了一種多相場模型，該模型引入N個(gè)序參量Φ_n表征不同的晶粒，整個(gè)計(jì)算域中，Φ_n＝1的區(qū)域?yàn)榈趎個(gè)晶粒的固相，Φ_n全為-1的區(qū)域?yàn)橐合?，?Sub>n介于-1至1的區(qū)域?yàn)榻缑妫ü?液界面和固-固界面；在固-固界面，該模型通過一個(gè)交互作用能項(xiàng)再現(xiàn)凝固過程中晶粒與晶粒之間的交互作用，可以預(yù)測液態(tài)金屬中多個(gè)枝晶的形核生長，及枝晶靠近生長時(shí)固-固界面的相互作用。與此同時(shí)，又有學(xué)者發(fā)現(xiàn)：在枝晶生長過程中，液態(tài)金屬中的流動對枝晶的長大存在明顯的影響。經(jīng)典的結(jié)論是：在具有自然對流的液態(tài)金屬中生長的枝晶，其迎流側(cè)的生長會得到促進(jìn)而背流側(cè)的生長受到抑制。據(jù)此，有學(xué)者在單序參量QPF模型的基礎(chǔ)上提出了耦合流體流動的相場模型，該模型可以再現(xiàn)枝晶在自然對流或強(qiáng)制對流狀態(tài)下的非對稱生長，相比于不耦合流體流動的模型，它可以更真實(shí)地模擬枝晶生長。但這種模型只能模擬枝晶在對流流體中的靜態(tài)生長過程，而實(shí)際的枝晶在具有流速的流體中或重力作用下會存在固相運(yùn)動，即流體沖刷或重力作用會使枝晶在液相中發(fā)生平移或旋轉(zhuǎn)。據(jù)此，又有學(xué)者基于耦合了流體流動的相場模型提出了耦合了枝晶運(yùn)動的相場模型，并進(jìn)一步將其與多相場模型結(jié)合，得到了一種耦合了流體流動和固相運(yùn)動的薄界面定量多相場模型，該模型可以再現(xiàn)液態(tài)金屬凝固過程中多個(gè)枝晶的形核、非對稱生長、平移、旋轉(zhuǎn)。