过冷熔体枝晶生长的计算机模拟仿真 ——“微观模拟之星”集成分析系统的实现与应用

论文摘要

微观组织数值模拟是当今金属凝固过程数值模拟技术的前沿领域。该技术以金属凝固理论为基础,利用数值计算技术和计算机技术发展的最新成果,可以逼真再现金属凝固过程中微观组织的演化。枝晶是金属凝固界面形态中最典型的结构特征,而模拟枝晶生长过程则成为微观组织数值模拟研究领域的热点。在微观组织数值模拟的各种方法中,相场法由于不需要追踪固液界面而成为模拟枝晶生长过程最强大的工具。本文正是利用相场法对过冷熔体中的枝晶生长规律进行了深入的研究。首先,本研究完成了“微观模拟之星”集成分析系统的开发。该系统用于研究枝晶生长规律,由前处理模块、数值计算模块和后处理（可视化）模块组成。具体包括如下内容:（1）前处理模块的研制,用于输入数值计算模块所需要的材料热物性参数、相场参数以及网格步长和时间步长等参数,其中的关键技术是控制时间步长的智能化输入;（2）相场模型方程的离散,确保了数值计算过程收敛、稳定,计算精度高,运算速度块;（3）可视化模块的研制,利用科学计算可视化技术将数值计算得到的有关枝晶生长规律的数据（海量数据）以直观的图形或图像表达出来,从而逼真再现了枝晶生长过程。其次,利用“微观模拟之星”集成分析系统对过冷熔体中的枝晶生长过程进行了定性分析。从一般的结晶现象出发,定性研究了各种相场参数对枝晶形貌的影响,再现了定向凝固过程以及自然界中真实的枝晶形貌（如冰的枝晶形貌-雪花）。再次,利用“微观模拟之星”集成分析系统对过冷熔体中的枝晶生长过程进行了定量分析。结合具体的材料,定量研究了各种相场参数对枝晶形貌的影响;分析了枝晶尖端的特征数据,并将其与经典的枝晶尖端生长理论进行了比较,发现数值模拟结果与经典理论吻合较好。另外,本文还对铸造CAE系统前、后处理模块中若干关键技术进行了研究。研究了STL实体截面实时显示技术、DIB绘图技术以及平滑处理技术等。这些技术的实现可以提高铸造CAE商品化软件的性能。最后,对“微观模拟之星”集成分析系统进行了检验。对各种凝固条件下得到的金相图片进行了分析,发现枝晶形貌变化规律与模拟结果在定性上取得了一致,充分证明了本文选用的相场模型的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 相场法理论基础
• 2.1 相场法原理
• 2.2 相场模型
• 2.3 经典枝晶生长理论
• 2.4 本章小结
• 3 相场模型的数值计算
• 3.1 控制方程的离散
• 3.2 差分格式的选择
• 3.3 时间步长的确定
• 3.4 初始条件和边界条件的确定
• 3.5 数值计算时间的研究
• 3.6 本章小结
• 4 微观模拟之星集成分析系统的实现
• 4.1 前处理模块的实现
• 4.2 计算模块的实现
• 4.3 可视化模块的实现
• 4.4 本章小结
• 5 过冷熔体枝晶生长的定性研究
• 5.1 相关参数对枝晶形貌的影响
• 5.2 定向凝固过程的模拟
• 5.3 冰的枝晶—雪花的模拟
• 5.4 本章小结
• 6 过冷熔体枝晶生长的定量研究
• 6.1 相关参数对枝晶形貌的影响
• 6.2 枝晶尖端特征数据的计算
• 6.3 与经典枝晶生长理论的比较
• 6.4 本章小结
• 7 铸造CAE 系统前后处理模块中若干关键技术的研究
• 7.1 两个重要文件接口
• 7.2 STL 实体截面实时显示技术的实现
• 7.3 DIB 绘图技术的实现
• 7.4 可视化图形平滑处理技术的实现
• 7.5 本章小结
• 8 “微观模拟之星”集成分析系统的检验
• 8.1 结晶实验之一：铸型壁上的枝晶生长
• 8.2 结晶实验之二：枝晶的熔（溶）断
• 8.3 本章小结
• 9 总结与展望
• 9.1 全文总结
• 9.2 未来研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表的论文