基于CA法的熔池凝固過程模擬初探.pdf

1、研究焊接微觀組織的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法不但費(fèi)時、耗資，而且不能預(yù)測微觀尺度上如枝晶形貌，顯微偏析等現(xiàn)象。隨著計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，諸多研究者發(fā)展了確定性和隨機(jī)性模型對凝固過程中微觀組織演變和形成機(jī)制進(jìn)行數(shù)值模擬。本文在焊接領(lǐng)域首次應(yīng)用隨機(jī)性數(shù)值模擬方法之一，元胞自動機(jī)(CA)法對焊縫微觀組織形態(tài)和演變進(jìn)行了模擬。
　　本文將元胞自動機(jī)(CA)和有限差分法(FD)結(jié)合起來，建立了焊縫凝固時熔池內(nèi)部等軸晶和柱狀晶的隨機(jī)形核和生長模型

2、，元胞自動機(jī)模擬凝固組織，有限差分計算溫度分布和溶質(zhì)擴(kuò)散。該模型考慮了快速冷卻情況下枝晶生長時固液相和固液界面的溫度分布、溶質(zhì)分布、動力學(xué)過冷、枝晶尖端曲率、枝晶生長各向異性對于枝晶形核和生長的影響。
　　在特定焊接條件下，焊縫中心為等軸晶區(qū)。應(yīng)用元胞自動機(jī)模型模擬了等軸晶生長形態(tài)和溶質(zhì)分布，并分析了合金成分、凝固速率的變化對等軸晶生長形態(tài)的影響。模擬結(jié)果表明，在等軸晶生長過程中二次枝晶和三次枝晶的充分發(fā)展，側(cè)枝晶間的激烈競爭生長

3、，合金成分和凝固速率的變化對等軸晶生長速率有著不同影響。
　　熔合線附近一般都為柱狀晶區(qū)，柱狀晶區(qū)一次枝晶臂的大小將直接影響焊縫力學(xué)性能。本文引入了焊接過程中的溫度循環(huán)曲線和溫度梯度曲線，應(yīng)用元胞自動機(jī)模型成功模擬了柱狀晶區(qū)枝晶生長形態(tài)和溶質(zhì)偏析，并分析了形核密度和凝固速率的變化對一次枝晶臂間距的影響。模擬結(jié)果顯示，在柱狀晶生長過程中，柱狀晶間和枝晶內(nèi)部偏析以及柱狀晶間的競爭生長現(xiàn)象明顯，隨機(jī)種子數(shù)和凝固速率對一次枝晶臂間距有著不