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相场法模拟Al-Cu合金枝晶生长的参数优化

【摘要】:相场法是一种用于描述在非平衡状态中复杂相界面演变强有力的工具,不需要跟踪复杂固液界面,就可实现模拟金属凝固过程中枝晶生长的复杂形貌。它是目前凝固组织模拟的国际前沿研究领域,对金属材料凝固模拟的发展和应用有着十分重要的意义。 本文在综合分析现有二元合金相场模型的基础上,基于金兹堡-朗道(Ginzberg-Landau)相变理论,推导出了一种适用范围较宽的二元合金相场模型,并给出了求解该模型方程的数值方法。 对相场方程、溶质方程与温度方程的耦合求解,本文研究了其在均匀网格条件下的最优时间步长和空间步长,使得均匀网格下的模拟结果既满足了精度的要求,又提高了计算效率。由于相场、溶质场和温度场的变化快慢程度不一致,在数值模拟计算中运用了耦合方程间的二重网格技术,在保证精度的前提下使得计算效率提高了1/3。针对求解区域解的变化快慢不一致的问题提出了基于四叉树的变网格技术,使得在求解变化较快的区域加密网格,而在解变化缓慢区域网格自动稀疏,既节约了计算时间,又不影响求解精度。 在相场模型的求解过程中,为了真实地模拟枝晶生长,在相场模型中引入了扰动和各向异性,研究了扰动强度、各向异性强度以及界面厚度等参数对枝晶生长的影响,并给出了这些关键参数的取值。 验证试验结果表明,浇注试样的枝晶形貌和溶质分布与相场法模拟的结果在定性上吻合较好,说明本文模拟结果是正确的。

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