[發明專利]一種鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法

在審

• 申請號: 202110676144.9
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113362910A
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 郭春文;趙紅亮;董祥雷;范宇恒;李永剛;李婧婷;翁康榮
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G16C20/20
• 分類號: G16C20/20;G16C60/00;G16C10/00;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 鄭州慧廣知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 41160
• 代理人: 朱廣存

本發明提供了一種鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法，主要包括如下步驟：模擬條件初始化，根據熱力學計算軟件構建合金真實的熱力學數據；建立定向凝固微觀組織演變模型，基于多相場模型，建立模擬定向凝固枝晶生長的相場模型；對模型施加邊界條件和初始條件，進行相場模型的計算；計算方法設計和可視化處理，通過引入非連續移動網格和整體凝固組織重構，將大尺度模擬結果可視化處理后，得到全局枝晶生長的微觀組織形貌。本發明可以通過大尺度相場模擬實時觀測定向凝固過程中枝晶之間的生長與競爭，動態地再現凝固微觀組織的形成過程，解決了大尺度相場模擬時效率低、占用資源大的問題。

技術領域

本發明涉及金屬材料定向凝固過程中微觀組織的大尺度數值模擬領域，尤其涉及一種鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法。

背景技術

定向凝固是一種通過控制合金凝固過程熱量傳輸方向而實現凝固組織定向生長的工藝方法，能夠使材料沿某一確定方向具有優異的力學及物理性能。然而定向凝固工藝參數與凝固組織之間存在著復雜的關系，僅依靠實驗難以反映出某一實驗條件(溫度梯度、抽拉速度等)對凝固組織的影響規律。

計算機技術的快速發展以及凝固理論的不斷完善，使通過數值模擬方法實時觀測定向凝固過程中微觀組織的演變成為可能。數值模擬技術可以定量模擬和預測定向凝固過程中枝晶的演化過程，包括枝晶尺寸與枝晶間距等凝固特征，從而可以進一步分析定向凝固參數對凝固組織的影響，為確定合金的凝固參數提供依據，最終達到預測、監控、提高合金力學性能的目的。

目前由于計算效率的限制，對于枝晶生長規律的研究通常集中于枝晶尖端附近，無法反映出完整枝晶之間生長與競爭的演化規律；因此本發明利用現有的多相場模型，建立一種定量預測鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法，進一步研究枝晶組織與定向凝固參數之間的定量關系，豐富凝固理論和優化凝固工藝。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法，旨在解決傳統方法大尺度模擬時效率低、占用資源大的問題。

本發明采用以下技術方案：

一種鎂合金定向凝固枝晶的大尺度相場數值模擬方法，其特征在于：

步驟一，模擬條件初始化，根據熱力學計算軟件構建合金真實的熱力學數據；

步驟二，建立定向凝固微觀組織演變模型，基于多相場理論，建立模擬定向凝固枝晶生長的相場模型；

步驟三，對模型施加邊界條件和初始條件，對相場模型進行計算；

步驟四，計算方法設計和可視化處理，通過引入非連續移動網格和整體凝固組織重構，將大尺度模擬結果可視化處理后，得到枝晶生長的微觀組織形貌。

優選的，所述步驟一中，通過Pandat相圖軟件構建合金相圖，通過相圖計算某一合金成分的溶質分配系數k和液相線斜率m；根據Pandat的熱力學數據庫，可以得到合金的界面能與擴散系數等相場所需的物性參數；

優選的，所述步驟二中，在所建立的相場模型中引入一個相場參量φ，其中φ₁＝1代表液相，φ_i＝1(i≠1)代表不同取向的固相，并且模擬區域中的每一點都滿足∑_i＝1...nφ_i＝1，n為自然數，i代表不同相；

為統計模擬區域某一點處相場變量的個數，定義了階躍函數S_i：

由上式可以得到，某一定點處的非零相場變量的個數N為：

根據多相場模型，相場演化方程的形式為：