基于MPI并行的PF-LBM三维枝晶生长模型模拟计算

材料微观组织数值模型模拟是一个密集型计算问题,其模拟时间太长且模拟规模太小.特别是在反映现实模拟的三维多场耦合材料枝晶成型过程中,由于模拟规模太小和计算时间太长,从而导致不能清楚地、及时地反映出枝晶的生长过程.为解决这两个问题,提出使用MPI对等模式对耦合流场的相场法进行三维晶枝生长模型模拟计算,并沿x轴等值面切割整个模型,把分割后的小模型分到不同MPI节点中实现并行运算.结果表明:在相同模拟规模下,10个MPI并行计算节点的加速比可达串行的19.9倍;同时其模拟规模也从串行的211×211×211个网格数增加到388×388×388个网格数.证明使用MPI并行计算对PF-LBM进行模拟解决了单CPU上模拟规模太小和计算时间太长的问题.     

强迫层流环境下多晶粒生长的相场法模拟

将模拟流场所用的Lattice Boltzmann方法(简称LBM)和模拟枝晶生长的相场模型进行耦合,模拟Al-Cu合金等温凝固过程中多晶粒在纯扩散和存在对流情况下枝晶的生长状况.模拟结果显示:在枝晶的生长初期,无论是纯扩散还是存在对流,各晶粒间间距较大,无相互影响,独立生长;纯扩散条件下枝晶呈现明显的对称性,强迫层流作用下,由于对流的存在,上游侧枝晶比下游侧枝晶发达;随着枝晶慢慢长大,各晶粒相互影响,产生竞争生长,导致枝晶生长产生不对称性;流速的大小会影响枝晶的生长形貌,流速越大,枝晶生长越快,非对称性越严重,下游越易产生涡流.     

纯物质过冷熔体中自由枝晶生长相场模型的自适应有限元法模拟

基于自适应有限元方法,通过求解表征纯物质相场模型的非线性抛物型方程,研究镍过冷熔体中不同起伏情况下单个完整等轴枝晶的演化过程.模拟结果表明:采用自适应有限元方法求解相场模型时结果更接近真实物理模型,在计算终止时整个计算域节点数仅为2.79×105个,远小于采用相同网格间距普通方法的1.6×106个,较大不同计算域对枝晶尖端速度的平衡值影响不大;随着起伏强度的增大,枝晶尖端获得更高的温度梯度,等温线波动更大,一次枝晶臂表面失稳,二次枝晶臂向过冷溶液中凸起的趋势越强,二次枝晶臂越发达.     

CAD/CAE/CAM在砂型铸造中的应用

针对中大型复杂铸件生产周期长,试制成本高等问题,提出一种铸造CAD/CAE/CAM一体化新方法.以大型球墨铸铁件为例,依据二维零件图,运用CATIA V5 CAD模块完成三维模型建立,对模板、芯盒完成CAD/CAM设计,并以芯盒部分为例分析说明;用Experto-ViewCast铸造CAE软件,模拟铸件充型凝固过程,分...     

镁合金厚壁压铸铸件的铸造参数确定与工艺模拟

以镁合金拉伸/冲击试棒构成的铸件为研究对象,分析厚壁压铸铸件的各项铸造工艺参数.借助铸造CAE技术,结合PQ平方图及金属液波动模型优化内浇口面积及各项速度参数,模拟高压铸造过程中水冷却系统、内浇口速度对凝固缺陷的影响.结果表明:该铸件内缩孔、缩松的位置与大小.解决厚壁压铸铸件各项工艺参数合理选择的问题.     

改进平行坐标系框架下的多维电磁态势展现

针对传统三维空间显示框架难以对电磁态势中多个维度信息进行有效可视化展现的问题,提出了一种基于改进型平行坐标系框架的多维电磁态势展现方法.对传统的平行坐标系方法进行了改进,提出了数据项拟合、定量映射、自适应时间滑窗、空间精确划分4个部分的算法理论模型.其中基于贝塞尔曲线的数据拟合用以解决各维度间数据项连接时的数据遮蔽混淆以及电磁态势各个维度之间信息关联不清晰的问题.为了将电磁态势的多个维度的信息定量映射到平行坐标系中,提出并设计了电磁态势基本维度的量化策略方法模型;提出了自适应步长的时间滑窗机制,能够有效调整电磁态势展现时间间隔,使其能够充分适应电磁环境的动态变化;设计了针对空间区域划分精度的目标函数,基于此定量分析了空间离散化的准确度和时间开销之间的关系.实验结果表明改进后的平行坐标系方法能够快速、有效地展现复杂的多维电磁态势信息,提出的贝塞尔曲线绘制能够优化显示总体电磁态势中的重要维度的信息,以更清晰、更精确、更便于理解的方式展现复杂电磁态势数据的分布特征和关联关系.     

冷却水管表面合金化球墨铸铁冷却壁的热应力和热变形

为了满足高炉长寿的需要,开发了一种具有高冷却性能的铸铁冷却壁. 利用热态实验数据确定了合金化管铸铁冷却壁温度场数值模拟的边界条件,采用ANSYS软件和热-结构耦合的方法分析炉温、渣皮和边缘接触压力对高温状态下铸铁冷却壁热应力及变形的影响,以便采取有效的措施降低铸铁冷却壁热应力,控制其变形. 根据球墨铸铁强度分析理论提出评价长寿铸铁冷却壁冷却能力的新概念--高周热负荷.     

层片状珠光体生长形貌的相场法模拟

采用相场法,以共析钢为例,模拟研究了不同初始共析层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织的生长形貌,探讨了不同初始层片间距及不同初始过冷度条件下层片状珠光体微观组织生长的规律.模拟结果表明:过冷度不变时,随着初始层片间距的增大,共析层片振幅增大,共析层片生长形貌的变化是规则对称的层片状→非规则非对称形状→棒状;层片间距不变,初始过冷度在19.6~20K时,随着初始过冷度的减小,共析钢中碳原子扩散能力增大,层片间距的失稳,致使共析层片由规则状向非规则形状变化;初始过冷度在20~22K时,随着初始过冷度的增大,共析钢中碳原子的扩散能力减弱,渗碳体相前沿碳原子浓度无法使其规则对称地生长,渗碳体相向碳原子浓度高的地方生长,从而产生倾斜生长以及层片合并现象.     

基于材料损伤演化的钛合金螺旋铣孔切削力仿真模型

切削力仿真是降低实验验证成本、优化工艺参数的有效途径,但是螺旋铣孔为偏心加工,切削力仿真时材料损伤过程难以描述且网格畸变严重,大大局限了仿真预测的应用.通过引入物理分离准则,将断裂能演化方式定义为指数演化方式,确定断裂能参数为44 350 N/m,结合加工周期内轴向和切向进给量取值范围,优化网格划分参数,最终通过ABAQUS软件实现了四齿立铣刀螺旋铣孔稳定加工阶段中单位公转周期的三维有限元模型构建.结果表明,断裂能的演化方式和网格划分参数的合理选取能够有效提高切削力仿真模型的准确性,螺旋铣孔轴向切削力和切向切削力的平均预测值为实验值的91.7%和92%,且最大误差不超过9%.模型在不同齿数(单齿、两齿、三齿、四齿)、相同几何结构立铣刀的螺旋铣孔切削力仿真中亦体现出较强的可扩展性.     

粘接层预氧化对热障涂层TGO生长与抗高温氧化性能的影响

利用预氧化技术在热障涂层(TBC)的陶瓷层/粘接层界面形成致密Al₂O₃层,经过1 100 ℃高温氧化试验,研究了该Al₂O₃层通过抑制氧气扩散,降低热生长氧化物(TGO)生长速率的作用机理,阐明了粘接层预氧化对整体热障涂层氧化行为的影响规律.结果表明:喷涂态(A-TBC)与预氧化(P-TBC)试样的TGO厚度及氧化增重均随氧化时间的延长而增长.但是,P-TBC显著减少了整个过程氧的扩散,有效抑制了氧化初期TGO的急速生长,使得P-TBC能够长期保持有益的TGO结构、降低抛物线氧化速率,并最终提高热障涂层抗高温氧化性能.