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专利号: 2019105276186
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1:简化模型条件;

步骤2:捕获规则定义;

步骤3:生长模型建立;

步骤4:溶质再分配与扩散模型建立;

步骤5:计算及结果导出。

2.根据权利要求1所述的一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,所述步骤1简化模型条件包括:将整个凝固过程分为液相、固相和界面三种状态;

模型中忽略动力学过冷,只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷;

三元合金凝固过程中设定溶质组元B和C,忽略溶质之间的互扩散,只考虑溶质的自扩散;

为了模拟结果更为准确,元胞邻域关系采用八邻域。

3.根据权利要求1所述的一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,所述步骤2具体按照以下步骤实施:步骤2.1、将模拟区域划分为正方形网格,每一个网格即为一个元胞;

步骤2.2、预先在熔池中心定义一个固相元胞,元胞周围的8个邻居元胞则为界面元胞,其余元胞均处于液相状态;

步骤2.3、选定步骤2.2所得的固相元胞,凝固开始时,对该固相元胞周围邻居元胞进行固相分数求解并判定,邻居元胞的固相分数大于1,则该元胞转变为固相元胞,其周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞;

步骤2.4、对步骤2.3所得新的固相元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定,邻居元胞的固相分数大于1,则该元胞转变为固相元胞,其周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞,以此类推,直至整个熔池完全凝固。

4.根据权利要求1所述的一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,所述步骤3具体按照以下步骤实施:步骤3.1、总过冷度的计算,tn时刻的总过冷度可由下式得出:ΔT(tn)=Tl-T(tn)+ml1×(Cl1(tn)-C1)+ml2×(Cl2(tn)-C2)-Γ(θ)×k(tn)式中:Tl为液相线温度;T(tn)为tn时刻液态金属的温度;ml1、ml2分别为溶质组元B、C的液相线斜率;Cl1(tn)、Cl2(tn)分别为溶质组元B、C在tn时刻的液相溶质浓度;C1、C2分别为溶质组元B、C的初始溶质浓度;Γ(θ)为Gibbs-Thompson系数;k(tn)为tn时刻的界面曲率;

步骤3.2、基于步骤3.1所得tn时刻的总过冷度,对v(tn)枝晶尖端生长速度进行计算,如下式所示:v(tn)=μk(θ)×ΔT(tn)

式中:μk(θ)为界面动力学系数;

步骤3.3、基于步骤3.2所得的v(tn),对Δfs界面元胞固相分数的增量进行计算,如下式所示:式中:G为邻位网格状态参数;Δt为时间步长;A为扰动因子;rand()能够在[0,1]产生一个随机数的函数;

n

步骤3.4、基于步骤3.3所得的Δfs,对fs界面元胞的固相分数进行计算,如下式所示:fsn+1=fsn+Δfs

式中:fsn+1为下一时刻界面元胞的固相分数;fsn为当前时刻界面元胞的固相分数。

5.根据权利要求1所述的一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,所述步骤4具体按照以下步骤实施:步骤4.1、基于步骤3.3所得的fsn,对ΔCi界面元胞转变为固相元胞排出的多余溶质进行计算,如下式所示:ΔCi=Cli×(1-ki)×Δfs

式中:Cli表示i(B或C)组元的液相溶质浓度;ki表示i组元的溶质平衡分配系数;

步骤4.2、基于步骤3.3所得的Δfs和步骤3.4所得的fsn,对已凝固的固相成分进行计算,如下式所示:式中:Csi表示i组元的固相溶质浓度;

步骤4.3、基于步骤4.1所得的ΔCi和步骤4.2所得的Csi,对溶质组元的扩散进行计算,如下式所示:式中:Dli、Dsi分别表示i组元的液相扩散系数和固相扩散系数。

6.根据权利要求1所述的一种三元合金凝固过程单个枝晶生长数值模拟方法,其特征在于,所述步骤5具体按照以下步骤实施:步骤5.1、基于步骤3和步骤4所建立的模型编写计算机程序;

步骤5.2、根据步骤5.1所得的计算机程序进行计算并导出结果。