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专利号: 2019106897352
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:

1.一种三元合金焊接熔池柱状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、简化三元合金焊接熔池凝固条件;

所述步骤1简化模型条件包括:

简化条件1、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态;

简化条件2、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域,即四邻域;

简化条件3、三元合金凝固过程中设定溶质组元为B和C,忽略溶质之间的互扩散;

简化条件4、焊接熔池近似为对称分布,为了节省计算时间,只考虑一半焊接熔池的凝固;

简化条件5、将熔池理想化为四分之一圆弧,圆弧内部定义为液态金属,外部定义为母材;

简化条件6、熔池中任意元胞到熔池中心的距离R由简化条件5可以得出:式中:(i,j)为任意元胞的坐标,(s,s)为熔池中心的坐标;

步骤2、建立三元合金焊接熔池柱状枝晶形核模型;

步骤2具体按照以下步骤实施:

假定在时间步长Δt内,过冷度的增量为δ(ΔT),则单位体积(v)内形核数新增加的量δn(ΔT)为:δn(ΔT)=n(ΔT+δT)‑n(ΔT)新晶粒形核的位置通过每一步长内形核概率确定,所述每一步长内形核概率的数值为:pn=δn/n=δn(ΔT)VC

式中:pn为每一步长内形核概率,n为网格的单元总个数,Vc是网格单元的体积;

步骤3、定义捕获规则;

步骤3具体按照以下步骤实施:

步骤3.1、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3.2、凝固开始时,基于步骤2的枝晶形核模型,熔池内会自动形成晶核元胞,晶核元胞周围的邻居元胞则被捕捉成为界面元胞,熔池内其余元胞均处于液相状态,即液相元胞;

步骤3.3、选定一个的晶核元胞,对该晶核元胞周围的界面元胞进行固相分数求解并判定,若界面元胞的固相分数大于1,则该界面元胞转变为固相元胞,新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞;

步骤3.4、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,界面元胞的固相分数大于1,则该界面元胞转变为固相元胞,新转变的固相元胞周围的液相元胞则被捕捉成为新的界面元胞,以此类推,直至所有液相元胞转变为固相元胞;

步骤4、建立三元合金焊接熔池柱状枝晶生长模型;

步骤4具体按照以下步骤实施:

在稳态生长过程,枝晶在总过冷度的作用下开始凝固生长,所述总过冷度可由下式表示: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;

枝晶在总过冷度的作用下不断凝固生长,当总过冷度给定后,界面液相溶质浓度可由下式得到:在界面胞凝固时,溶质会向周围的液相排出,时间Δt内,穿过固/液界面面积Δx的溶质含量可表示为:式中:Dli为i组元的液相扩散系数;jie为界面元胞邻近的液相元胞;Cjie为jie的溶质浓度;

金属凝固过程中伴随着液相份数的不断减少和固相份数的不断增加,在Δt时间内固相份数的增量可以有由下式:凝固过程中,界面的推进速度与元胞固相份数的增量成正比,表示为:在时间tn内,某一目标界面单元网格j内的固相份数为:式中:N为迭代的次数;

步骤5、模拟计算及结果导出;

所述步骤5体按照以下步骤实施:

步骤5.1:将基于步骤1~4所构建的三元合金焊接熔池柱状枝晶生长模型导入模拟软件Matlab中;

步骤5.2:输入合金的热物性参数以及各种焊接工艺参数,进行计算得到三元合金焊接熔池中柱状枝晶生长的模拟结果。