镍基合金焊接熔池凝固组织模拟

对原有元胞自动机中网格的捕获规则进行修正,完善了"对角线模拟角度"法则,并用其成功地模拟了镍基合金熔池凝固过程枝晶生长以及晶界偏析情况.结果表明,在焊接熔池凝固过程中,不同取向的晶粒之间存在着激烈的竞争生长.结晶取向与温度梯度最大的方向相一致的晶粒生长速度快,将其它取向的晶粒淘汰,在竞争中能够持续生长.同时,在枝晶与枝晶、枝晶臂与枝晶臂之间的残余液相中,存在溶质堆积现象,在凝固过程结束后,形成了严重的晶界偏析.     

焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点,建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型,对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟.结果表明,焊接熔池在快速冷却凝固过程中,溶质再分配与扩散明显;柱状晶向等轴晶转变时,熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高,抑制了柱状晶的生长;冷却速度越大,柱状晶越容易向等轴晶转变,且转变所需时间越短.     

焊接过程组织演变——模拟焊接热影响区晶粒长大

基于晶粒正常长大过程中的能量和曲率因素,建立了晶粒正常长大能量一曲率驱动元胞自动机二维模型.该模型能正确反映晶粒正常生长过程中平均晶粒尺寸大小与时间、晶粒生长速率与温度、晶粒生长速度与曲率等关系,以及晶粒尺寸分布时间不变性等重要规律.同时,通过建立元胞自动机时间(tCAS)与现实时间的转换关系,实现了能量一曲率驱动元胞自动机在现实时间尺度上对焊接热影响区晶粒长大过程的模拟.结果表明,模拟结果符合焊接热影响区理论晶粒分布规律.     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

Ni-Cr二元合金焊接熔池中柱状枝晶生长模拟

通过构建元胞自动机与有限差分耦合的CA-FD(cellular automaton-finite difference)模型,实现Ni-Cr二元合金焊接熔池柱状枝晶生长过程的模拟,研究熔池边缘柱状晶的生长过程以及该过程中的溶质浓度分布形态.模拟结果再现了焊接熔池中二次、三次枝晶的生长,枝晶间的竞争生长以及晶界偏析等微观现象.基于模拟结果深入分析了焊接熔池中枝晶生长的特点,同时对溶质浓度场进行了定量分析.对模拟结果的分析表明,焊接熔池中枝晶间竞争生长激烈,枝晶形态复杂,枝晶偏析和晶界偏析显著.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟

采用元胞自动机法建立ULCB钢焊接熔池凝固过程的宏微观耦合模型,模拟非均匀温度场下焊接熔池凝固过程的组织形貌演变和溶质场分布,分析不同形核参数和合金成分对焊接熔池枝晶形貌的影响。结果表明,熔池边缘形成柱状晶,熔池中心形成等轴晶,柱状晶和等轴晶相互抑制长大;枝晶生长过程中始终存在着枝晶偏析现象;形核密度和合金成分影响枝晶的形核和生长,随着形核密度和合金成分的增加,焊缝中等轴晶区域增加,晶粒细化。     

焊接数值模拟方法

ANSYS是一大型通用有限元分析软件,综述了ANSYS在焊接电孤行为、焊接温度场和焊接残余应力数值模拟方面的应用,阐述了SYSWELD的特点及在焊缝数值模拟方面的应用.元胞自动机是一种时间、空间、对象的状态都是离散形式的动力学模型,它是研究非线性科学的重要研究工具,详细概述了元胞自动机法在焊缝凝固组织模拟、焊缝再结晶组织模拟中的应用.展望了焊接数值模拟技术.     

焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟

应用元胞自动机方法进行了焊缝金属凝固组织的模拟.所建立的焊缝凝固组织二维元胞自动机模型考虑了晶粒的概率性成核、曲率过冷、温度过冷、成分过冷、潜热的释放、溶质浓度的再分布以及焊接熔池晶粒的联生长大等影响因素.模型在统一网格下分别采用差分法计算温度和溶质的扩散,应用元胞自动机方法模拟晶粒形核及生长.模拟结果能够定性地再现焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制.结果表明,元胞自动机方法较好地反映了焊缝金属凝固的特点,是焊缝凝固组织模拟的新途径.     

Dendritic grain growth simulation in weld pool of nickel base alloy

Dendritic grain growth at the edge of the weld pool is simulated using a stochastic numerical model of cellular automaton algorithm. The grain growth model is established based upon the balance of solute in the solid/liquid interface of the dendrite tip. Considering the complicated nucleation condition and competitive growth, the dendrite morphologies of different nucleation condition are simulated. The simulated results reproduced the dendrite grain evolution process at the edge of the weld pool. It is indicated that the nucleation condition is an important factor influencing the grain morphologies especially the morphologies of secondary and tertiary arms.     

基于计算机模拟的焊缝金属组织凝固过程中枝晶生长分析

模拟焊缝凝固过程的枝晶生长,得到焊接熔池中心柱状晶和等轴晶溶质浓度分布、生长形态。熔池凝固结晶过程中,晶界偏析很大,枝晶竞争生长且相互作用。采用元胞自动机方法模拟枝晶生长可行,但仍需考虑多方面因素,并且在熔池内复杂多角度枝晶状态方面做更细致和深入的研究。     

Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟

基于元胞自动机方法建立了枝晶生长的数值模型,应用该模型模拟了Fe-C合金焊接熔池凝固期间柱状晶向等轴晶(CET)转变过程中枝晶生长形貌与溶质浓度分布状况. 模拟过程主要考虑不同扰动振幅和冷却速率对柱状晶向等轴晶转变的影响. 结果表明,随着时间步长增大,晶粒数逐渐增多,最终趋于稳定值;当冷却速率增加时,生长速度增大,枝晶生长的越充分,显微偏析越严重,而CET转变所需时间越短;当扰动振幅增大时,一次枝晶生长的越细,二次、三次枝晶竞争越激烈.     

GTAW熔池形状数值模拟精度的改进

采用高斯分布或双椭圆分布热源模式对GTAW熔池形状的数值模拟中发现,计算得到的熔池尾部形状与实际情况有较大差别.文中分析了误差产生原因,提出了数值模拟程序设计中如何确定热源在工件上作用区域计算半径的三个原则.解决了计算结果中熔池尾部后拖不足的问题,提高了GTAW熔池形状数值模拟精度.     

Multi-scale coupling simulation in directional solidification of superalloy based on cellular automaton-finite difference method

Casting microstructure evolution is difficult to describe quantitatively by only a separate simulation of dendrite scale or grain scale, and the numerical simulation of these two scales is difficult to render compatible. A three-dimensional cellular automaton model couplling both dendritic scale and grain scale is developed to simulate the microstructure evolution of the nickel-based single crystal superalloy DD406. Besides, a macro–mesoscopic/microscopic coupling solution algorithm is proposed to improve computational efficiency. The simulation results of dendrite growth and grain growth of the alloy are obtained and compared with the results given in previous reports. The results show that the primary dendritic arm spacing and secondary dendritic arm spacing of the dendritic growth are consistent with the theoretical and experimental results. The mesoscopic grain simulation can be used to obtain results similar to those of microscopic dendrites simulation. It is indicated that the developed model is feasible and effective.