一、枝晶生长的元胞自动机模拟（论文文献综述）
郭宇飞[1]（2021）在《激光熔覆Inconel 625合金组织演变的数值分析》文中指出随着科学技术的不断进步,传统的钢铁材料在实际应用中已经难以满足需求,而激光熔覆技术的出现为该问题的解决提供了一条新途径。作为一种新型的材料表面改性工艺,激光熔覆技术能够有效地提高基材表面的性能,延长材料使用年限,但激光熔覆时熔覆层具有高温、快速、复杂的冶金特点,熔覆层在成型过程中会发生复杂的物理化学反应,采用传统的试验方法难以进行实时研究,故而,探索一条新的研究熔覆层成型过程的途径就具有重大的实际意义。而数值模拟技术可以直观的重现激光熔覆时温度场和微观组织的演化,且研究周期短,节约资源,目前已成为一种新型的研究方法。本文分别构建了有限元模型和有限差分模型,针对两种模型的建模过程、温度场模拟结果、与元胞自动机模型耦合的难易程度等方面进行了综合考虑,拟在熔覆Inconel 625合金时,温度场分布计算采用有限元模型,微观组织演变模拟采用有限差分模型。通过有限元模型对单道以及多层多道激光熔覆时温度场的演化进行了仿真,温度场呈近似的椭圆状分布,熔覆区域热量高度集中;多道激光熔覆时,前一道熔覆过程会对后续熔覆过程产生预热作用。在此基础上,探究了试样不同节点热循环曲线的转变规律,研究了不同熔覆工艺参数下温度场的演变状况,当激光功率增大,熔覆温度升高,激光扫描速度加快,熔覆温度降低。并针对模拟的温度场结果进行了验证性试验,模拟的熔覆层外貌轮廓及尺寸与试验结果基本一致。在有限差分模型的基础上,构建了晶体生长的元胞自动机-有限差分（CA-FD）模型。通过对熔覆层中等轴晶的生长以及溶质偏析进行模拟,证明了所建模型能够正常运行且稳定性良好。采用CA-FD模型对单道和多层多道熔覆层中晶体的生长过程进行了模拟,模拟的晶体形核与生长过程符合晶体凝固学理论,并揭示了不同参数对晶体形貌的影响规律:随着形核基底数的增多或激光扫描速度的加快,熔覆层中晶体数量增多,晶体尺寸减小;随着激光功率的增大,熔覆层中晶体数量减少,晶体尺寸增大。同时,对所模拟的晶体形貌结果进行了验证,模拟结果和试验结果基本一致。基于所建的晶体生长CA-FD模型,构建了相转变CA-FD模型和三维晶体生长CA模型,实现了熔覆层凝固过程相转变以及三维等轴晶的数值模拟,发现熔覆层微观组织最终由γ+NbC+Laves三相组成;随着过冷度的增大,晶体生长速度加快,晶体发生粗化,二次枝晶数量增多;随着扰动振幅的增大,二次枝晶数量增多,一次枝晶和二次枝晶都有所细化。同样的,对相变结果进行了试验验证,模拟的相转变过程较为合理。综上所述,本文采用数值模拟技术对激光熔覆Inconel 625合金进行了系统的研究,阐明了熔覆时熔覆层温度场和微观组织的演化机理,揭示了不同参数对熔覆层凝固过程的影响规律,为熔覆工艺的选取和熔覆组织的调控提供借鉴。
朱花[2]（2021）在《奥氏体不锈钢凝固与热变形再结晶晶粒组织的多尺度模拟研究》文中研究说明大型锻件采用钢锭锻造成形。由于钢锭尺寸巨大,结晶过程缓慢,凝固组织异常粗大和不均匀。因此,对于大型锻件而言,粗大非均匀凝固晶粒组织的细匀化是热加工的主要任务和目标,也是大型锻件力学性能提高的重要途径。在大型锻件制造的工艺流程中,粗大非均匀凝固组织的细匀化是一个涉及全工艺流程的过程。首先需要了解钢锭凝固组织的形成、分布和形貌,进而通过锻造及后续的热处理实现晶粒组织的细化与均匀化。其中锻造工艺起着至关重要的作用。特别是传统模铸钢锭中显着的柱状晶组织和电渣重熔钢锭内部的柱状晶组织的细匀化尤其关键。而仅采用实验的方法又很难从不同尺寸进行研究。本文结合实验研究方法,在研究开发凝固柱状晶和热变形再结晶微观组织介观尺度元胞自动机（CA）模拟方法和技术的基础上,采用宏观、介观（微观）和纳米尺度的模拟技术,实现了凝固柱状晶组织形成和长大,以及凝固柱状晶组织热变形再结晶晶粒组织演变过程的模拟研究,对于大型钢锭柱状晶凝固组织及其热变形再结晶晶粒组织模拟和控制具有重要的理论意义和实用价值。论文的主要研究内容如下:首先,采用PROCAST软件的元胞自动机CA微观组织模拟模块,研究了空心钢锭底注式模铸和电渣重熔4.2 t Mn18Cr18N钢的凝固过程。模铸结果表明,随着内外壁换热系数的减小,柱状晶向等轴晶的转变CET提前,抑制了柱状晶的发展,柱状晶长度减小,一次枝晶间距减小。随着浇注温度的升高,CET延迟,柱状晶的比例增加。形核参数中体形核密度是影响CET以及晶粒尺寸的主要参数,面形核密度可以控制柱状晶的一次枝晶间距,并得出了整个壁厚全部为柱状晶组织或等轴晶组织的极限体形核密度值为1e+006/cm3和2e+009/cm3。电渣重熔结果表明,电渣重熔熔速（渣-金界面上涨速度）控制在0.1 mm?s-1以下,可以获得理想的熔池形状和凝固柱状晶组织;底部传热系数达到500 W?m2?K-1可提供足够的冷却能力,并获得最大尺寸的底部柱状晶区。并基于经典的CA法随机形核的规则,提出了垂直于散热方向的等过冷度面分级形核规则;基于经典的CA法周期性边界条件的长大规则,提出了垂直于散热方向的非周期性边界条件的长大规则。并在MATLAB软件平台下,实现了柱状晶组织形成与长大模拟程序的开发,并模拟研究了Mn18Cr18N空心钢锭电渣重熔宏观尺寸和介观尺度下柱状晶形成与生长。实验对比表明了所提出的电渣重熔凝固过程中柱状晶形核和长大CA法模拟规则的有效性和精确性。然后,采用分子动力学模拟方法,建立了不同加载方向下奥氏体面心立方FeCrNi钢纳米柱状晶组织模型,模拟分析了所建立柱状晶模型变形的力学行为、变形机理和规律,以及尺寸效应对纳米柱状晶变形的影响规律。结果表明,奥氏体面心立方纳米柱状晶组织试样的变形应力呈现各向异性的特性。加载方向与柱状晶生长方向的夹角?=0?时应力最大,依次为?=90?、30?、60?、45?,即加载方向与柱状晶生长方向的夹角?=45?时应力最小。原因是不同加载方向柱状晶内部位错密度不同引起的,且柱状晶半径越小,压缩试样模型内位错密度越高,层错和孪晶数越高,变形应力越高。采用热力模拟实验方法,研究了Mn18Cr18N锻态钢的热变形行为和动态再结晶演变机理与规律;建立了基于内变量物理参数的本构模型;通过建立热变形功率耗散图和再结晶组织的分析,揭示了低应变速率下晶界迁移驱动的再结晶形核机理和演变规律,以及高应变速率下孪晶促进的形核机理和演变规律。并在此基础上,首先提出了CA法模拟热变形再结晶的分阶形核规则,进行晶粒长大的模拟;对于晶界迁移驱动的再结晶,提出了基于位错密度的形核和演变规则;对于位错促进的再结晶,考虑了∑3孪晶形核率,引入加权变量,实现了Mn18Cr18N锻态钢热变形再结晶行为的模拟。不同变形温度、应变速率和应变条件下再结晶晶粒组织的模拟结果与实验的对比,验证了所开发该钢热变形再结晶CA法模拟的可靠性。采用热力模拟实验方法,研究了Mn18Cr18N ESR钢的热变形行为和动态再结晶演变规律;建立了其基于内变量物理参数的本构模型;通过建立热变形功率耗散图和再结晶组织的分析,进一步阐明了低应变速率下位错控制和高应变速率下孪晶控制的再结晶形核机理和演变规律。在此基础上,通过对比分析锻态钢热变形再结晶的组织,提出了一次柱状晶晶界和二次枝晶/变形带晶内形核的CA法模拟联合形核规则,以及位错控制再结晶的CA法模拟对称元胞联合形核规则,并首次成功模拟了柱状晶位错控制的动态再结晶的演变过程的模拟。最后,基于Mn18Cr18N ESR钢柱状晶凝固组织及其热变形再结晶组织特点,通过有限元网格和CA法网格的对应关系,建立了柱状晶凝固组织的宏-微观跨尺度模型,实现了柱状晶凝固组织的有限元宏观热力参数场—CA柱状晶凝固组织场—CA柱状晶凝固组织热变形再结晶晶粒组织的耦合模拟,并用点跟踪技术进行了的耦合模拟分析与预测。
梁晨[3]（2021）在《增材制造多尺度仿真与力学性能研究》文中提出对增材制造“工艺—组织—性能”关系的认知和掌握是实现控形、控性的关键,而增材制造过程中强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程使得其“工艺—组织—性能”关系难以准确把握。金属增材制造涉及传热、传质和相变等,是一个多尺度多物理场多学科交叉问题。目前,实验研究无法直观地反映工艺-物理场-凝固组织之间影响过程机理,并且“试错法”主导试验和工艺设计导致实验成本高昂、研发效率低效。本文通过构建增材制造多尺度仿真模型研究其“工艺—组织—性能”之间关系,通过数值模拟研究介观尺度传热、微观晶粒演化生长行为与塑性变形机理,分析微观组织演化机理与各向异性力学性能的成因,预测材料的微观组织及力学性能。主要工作内容如下:首先构建了IN718材料激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）介观温度场仿真的三维有限元模型,分析激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,研究激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,基于温度场的仿真结果,计算不同工艺参数下熔池固液界面处温度梯度和凝固速度的变化,计算不同工艺参数下熔池固液界面处温度梯度和凝固速度的变化,分析凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变条件,预测熔池不同深度上的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据。在温度场模拟基础上采用CAFE（Cellular automation finite element）模型建立了IN718材料激光选区熔化微观晶粒演化模型。本文提出基于扩展Moore邻域的元胞自动机算法以提高计算效率,所提出的改进算法能减少约60%的计算量。完成SLM多层熔覆的熔池凝固过程中微观组织演化过程的模拟。模拟结果显示熔池上表面异质形核形成等轴晶,而熔池底部晶粒向熔池中心生长外延生长形成柱状晶,最终在多层沉积后形成从堆积方向逐渐向扫描方向倾斜约20°并贯穿数个沉积层的柱状晶组织。最后基于微观组织演化模拟和晶体塑性有限元方法研究IN718材料SLM技术组织与宏观力学性能之间关系。根据晶体塑性有限元模型的模拟结果表明SLM制备材料横向相较纵向有更高的强度和刚度。针对SLM工艺材料各向异性的成因,根据微观组织模拟结果计算得到横向和纵向的施密特因子分别为0.3183和0.4714,横向和纵向的平均晶粒尺寸分别为30?m和90?m,织构现象带来的施密特因子的差异和平均晶粒尺寸的差异是SLM材料强度各向异性的成因。根据IN718单晶杨氏弹性模量三维取向分布结合微观组织模拟结果计算得到:Z轴方向上的杨氏弹性模量平均值为139.5919 GPa,而XOY平面杨氏弹性模量平均值为155.8748 GPa,材料横向相较纵向有更高的刚度。
石钦[4]（2021）在《CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为》文中认为液态金属的凝固过程涉及到宏/微观不同尺度复杂的物理变化,研究金属材料的凝固过程对理解组织形成原理、改善优化工艺具有重要的意义。凝固过程的宏/微观之间常常伴随着温度场不均匀分布、熔体流场紊流效应、枝晶的形核和生长等,通过不同的数值模型可以揭示上述复杂的反应过程,再现凝固的宏观物理场分布和微观组织场的动态演化过程。本文基于振动激发金属液形核技术,采用元胞自动机（Celluar Auotomaton,CA）方法建立了铁素体不锈钢Cr17的二维凝固组织模型,同时耦合宏观温度场研究了熔体微观区域枝晶的形核和长大行为。论文的主要内容和结果如下:结合显式有限差分方法（Finite difference method,FDM）和元胞自动机模型建立了枝晶生长的CA-FDM算法,综合考虑以溶质扩散为主要驱动力的生长动力学机制,包含溶质成分过冷、曲率过冷、界面能各向异性函数对枝晶生长的影响。通过优化曲率算法并采用Zigzag元胞捕获规则,降低了CA算法的网格各向异性问题。通过耦合宏观温度场,采用异质形核模型、微观枝晶生长算法,模拟了振动激发金属液形核技术工艺参数对微观组织的影响,揭示了晶核发生器表面微观区域内枝晶的竞争生长过程;分析了晶核发生器表面过冷度和振动频率对内部等轴晶区域的占比、等轴晶平均晶粒尺寸大小、柱状晶区长度等的影响。随着晶核发生器振动频率的增加,熔体中加剧的不规则紊流效应有利于枝晶的碎断和迁移,增加了熔体中异质晶核数量,有效促进了柱状晶向等轴晶的转变过程。晶核发生器振动频率为1000 Hz、表面过冷度为300～400 K时,熔体中温度梯度小,柱状晶前沿形成较宽的溶质过冷区,有利于柱状晶向等轴晶转变;当过冷度继续增大,熔体中温度梯度增加,柱状晶前沿的等轴晶形核区域范围减小,利于柱状晶的定向生长。当过冷度一定时,提高振动频率有利于等轴晶区域扩大,柱状晶区域发展被限制。其主要原因为:随着振动外力的增强,熔体中的对流搅拌作用增强,初生的枝晶在外力作用下破碎,在后续的凝固过程中枝晶碎片作为异质形核衬底,对流作用的增强能够降低了熔体中的温度梯度,使大部分熔体达到异质形核的过冷度。
侯兆乾[5]（2020）在《石墨在熔体凝固中的生长行为和组织形貌演变的模拟研究》文中研究表明灰铸铁在我国重工业中有着举足轻重的位置,这是由于其拥有优异的机械、铸造性能,并且灰铸铁的微观组织结构决定了其宏观的性能,特别是灰铸铁中的石墨形态对其性能起着决定性作用。但是长期以来灰铸铁的凝固是一个非常复杂的研究课题,这是由于灰铸铁铸态下的显微组织是由铁素体和珠光体组成的基体,该基体是初生奥氏体在共析温度下的固态转变的结果。这种转变掩盖了原始奥氏体结构。然而传统的金相技术并不能很好地揭示凝固过程中初生奥氏体、共晶奥氏体与石墨之间的相互作用。随着计算机科学和数值技术的飞速发展,数值模拟已成为研究凝固组织演变的重要工具。因为在建立正确的数学物理模型的情况下,计算机拥有强大的计算能力,利用其计算能力的强大可以计算晶粒在凝固过程中的演变过程。所以作为实验的补充,数值模拟很好的在这方面对实验研究进行了动态演变解释,可以较好地重现金属在凝固过程中的组织演变。使科研工作者对凝固过程产生更好的理解,从而产生更优的铸造工艺方案的设计。本文通过建立以理论基础为元胞自动机相关理论、实验平台为Visual Studio 2015 MFC平台、计算机编程语言为C++的一整套元胞自动机模拟软件对灰铸铁共晶反应阶段的相关过程进行了模拟再现。该模型规定了石墨以及奥氏体不同的生长方式,并且建立了不同元胞界面之间的转变规则以及不同元胞界面之间的扩散规律。较为准确地建立了灰铸铁共晶团组织的微观凝固演变生长模型。本文建立了灰铸铁元胞自动机共晶团生长模型,首先根据石墨的晶体结构以及实验中获取的金相组织,建立了关键的石墨元胞自动机模型菱形的界面捕获规则。确定了片状石墨的微观凝固演变生长模型,并且结合交叉显现析出模型以及奥氏体的微观凝固演变生长模型,实现石墨与奥氏体交叉显现析出生长。从而完成了共晶团中石墨与奥氏体在液相中协同生长。并通过在实际模拟中改变不同的冷却速度,观察共晶团的变化。在实验上采用阶梯型铸件进行浇铸实验,由于阶梯型铸件壁厚不同实现不同冷却速度灰铸铁的共晶组织形貌。实验上描述了不同冷却速度的石墨形貌。本文还在单个灰铸铁共晶团微观凝固演变生长模型基础上建立了多核心的共晶团微观凝固演变生长模型,分析了多核心下共晶团之间存在竞争关系,并且石墨的形貌在多核心条件下更加容易发生弯曲和分叉。以及多核心下石墨分布更加均匀,分析了多核心下石墨中B型石墨更加多的原因,共晶团中石墨和奥氏体生长行为以及凝固演变发生的变化,在分析了孕育剂中Si对石墨生成的实际作用之后,从模型的基础上解释了在孕育剂的作用下共晶团中石墨形貌发生变化的原因。构建的多核心模型合理地再现了多核心生长时的共晶团竞争生长行为以及石墨的在共晶团相互接触区域形貌的变化。
张云浩[6]（2020）在《多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究》文中指出激光熔覆成形技术作为一项高性能金属零件自由实体成形的增材制造技术,在航空、造船、化工和机械等领域具有广阔的应用前景。熔覆层微观组织形态对工件力学性能有直接影响。为了建立熔覆层微观组织和性能调控机制,必须深入研究激光熔覆成形过程中熔池传热传质行为以及非平衡凝固组织演变机理。本文从移动熔池传热传质入手,研究了基板水冷对熔覆层微观组织的细化效果以及多层激光熔覆凝固组织演变规律。首先,针对激光熔覆成形技术,建立多元合金激光熔覆熔池三维传热传质及凝固组织形貌演变模型。模型考虑了工艺参数对熔覆层几何形貌的影响,并采用精度更高的复合热源。通过自行开发的宏微观耦合接口程序实现了三维熔池模型和多元合金凝固组织演变模型的耦合,能够模拟不同工艺参数下移动熔池传热传质及微观组织演变过程。其次,针对激光熔覆过程中常采用的基板水冷冷却方式,研究了基板水冷对凝固条件的影响机制。在宏微观耦合数值模型基础上,对多层激光熔覆薄壁模型进行求解,获得不同工艺参数下熔池尾部的温度梯度、凝固速度和冷却速度等凝固条件,并分析基板厚度、熔覆层高度和基板冷却系数等工艺参数对凝固条件的影响规律,并通过实验验证模型合理性。研究结果表明:1)在基板底面施加连续冷却水循环能提高熔覆层中熔池冷却速度,并且冷却系数越大,冷却速度的提高效果越明显。2)作为热传导通道的熔覆层高度增加,传热路径加长,传热效果降低,因此,随着熔覆层高度增加冷却速度非线性减小。3)在基板冷却系数相同条件下,随着基板厚度增加,在液态金属凝固过程中释放热量大部分被基板吸收,连续冷却水循环吸收能量能力下降,导致基板水冷效果明显下降。最后,将宏观熔池传热传质模型与凝固组织演变计算耦合,进一步模拟非平衡凝固条件下熔池凝固过程中的晶粒生长行为,使用该模型分析了初始晶粒尺寸、异质形核对微观组织的影响,研究了不同工艺参数下,熔池形状、瞬时凝固条件和多层熔覆扫描路径对熔覆层凝固组织形貌的影响机理,并对模拟结果进行了实验验证。结果表明:1)基板晶粒尺寸的增加,熔覆层中外延形核的柱状晶粒数目减少,平均尺寸增加。2)随着异质形核率的增加,异质形核出现在更加靠近熔合线的部位,新形核的等轴晶在与柱状晶的竞争中能够更早的获得优势,从而在更加靠近熔合线的部位完成CET转变。3)熔池内部无异质形核时,在较低的扫描速度下,从熔池尾部外延生长的晶粒竞争力大于从熔池底部外延生长的晶粒形成轴晶结构;随着扫描速度和激光功率增加,成分过冷区增大,轴晶区域变小,最终消失在熔覆层中。熔池内部存在异质形核时,新形核晶粒数目增多,新形核的晶粒将阻挡柱状晶继续生长,并发生熔覆层顶部发生柱状晶向等轴晶转变行为（CET）;随着扫描速度和激光功率增加,新形核晶粒更加具有竞争力,在靠近熔合线位置发生CET转变,等轴晶数目增多尺寸减小。4)对于多层薄壁件凝固组织模拟结果,柱状晶与等轴晶交替出现形成多层熔覆组织。由于各层扫描方向相同,各层组织在宏观形态上向同一个方向弯曲。实验验证结果的凝固组织形貌变化规律与模拟结果一致。
白羽[7]（2020）在《基于CA-LBM方法的三维晶粒群运动行为的数值模拟研究》文中认为在晶体铸件的凝固过程中,熔体中存在着游离枝晶的运动会影响铸件最终微观组织的形貌、尺度及分布。本文通过数值方法对三维等轴晶的运动和生长行为进行了研究,为铸锭中宏观偏析形成机理的研究奠定重要基础。通过分析对比相场法和元胞自动机方法在计算等轴晶运动方面的优缺点,本文选用元胞自动机方法计算Al-4.7%Cu合金铸锭凝固过程中微观组织的生长过程,用LBM计算凝固过程中的动量、热量及质量传输过程,用Ladd方法处理熔体-枝晶尖锐界面间相互作用,用牛顿力学定律求解枝晶的运动速度。将上述几种方法进行耦合,建立了用于模拟晶粒运动的三维CA-LBM模型。随后通过以下算例验证了该模型的准确性:（1）将三维CA-LBM模型计算出的枝晶尖端生长速度与Lipton-Glicksm an-Kurz（LGK）解析解进行对比,以观察所建立模型中的三维CA-LBM方法计算的准确程度。（2）用无限长管道中三维球体颗粒沉降速度的解析解与计算结果对比来验证液固界面相互作用力计算的正确性。（3）通过平动后枝晶形状的变化来检验在计算过程中引入人工误差的程度。在前述基础上,利用本文建立的模型对熔体中三维单枝晶和多枝晶的生长和运动行为进行了计算。本文的研究内容主要有:（1）计算模拟了三维单枝晶在熔体中的生长和运动行为,结果显示枝晶在下落过程中的生长方式与静止时的生长方式不同,运动枝晶在生长过程中上部枝晶尖端生长速度受到抑制,下部尖端生长速度受到促进。（2）分析对比了三维单枝晶运动及生长过程与二维的区别,研究发现:三维枝晶的生长和下落速度更快,且三维空间流体的环绕流动使枝晶受到水平方向的恻向力,枝晶会在水平方向发生移动;由于多了一个扩散方向,三维枝晶凝固过程中溶质可以从枝晶臂侧面环绕排出,大大缩短了扩散距离,而二维条件下溶质只能绕过枝晶臂排出。（3）多枝晶之间由于流场合并、溶质扩散层重叠等相互作用会使枝晶的下落速度减小,即多枝晶的下落速度小于单个枝晶的下落速度。（4）凝固过程中排出的溶质以及潜热会在枝晶间形成溶质浮力和热浮力,进而改变枝晶的运动状态:溶质浮力形成环绕向下的流场从而加速枝晶的下落,而热浮力会形成环绕向上的流场减缓枝晶的下落。
朱志旺[8]（2020）在《双辊薄带振动铸轧凝固组织的元胞自动机模拟及实验研究》文中研究指明双辊薄带振动铸轧技术是一种在传统铸轧技术基础上引入振动的新型近终形成型技术。目前,对振动铸轧的理论研究还局限于铸轧熔池内的宏观物理场,关于振动影响铸轧薄带凝固组织的机制的认识还不够深入,在制定铸轧工艺时还具有较大的盲目性。本文结合数值模拟以及元胞自动机方法,旨在实现对振动铸轧薄带凝固组织的预测,从而为实际生产过程中工艺参数的快速确定提供有效的指导,大幅减少时间成本以及经济成本,对提高振动铸轧工艺的生产效率以及铸轧薄带的质量均有重要意义。本文利用有限元方法建立了双辊薄带振动铸轧熔池的热流耦合数值仿真模型,分析了非振动铸轧在非稳定阶段以及稳定阶段内其温度场与流场等宏观物理场的分布特点。通过对比,研究了振动对铸轧熔池内宏观物理场的具体影响,为振动铸轧薄带凝固组织的模拟提供数据基础并为分析其形成过程提供理论基础。形核率计算对薄带凝固组织的模拟不可或缺,而振动铸轧中振动对形核率的影响不可忽视。为此,本文建立了振动铸轧凝固界面处枝晶的剪切模型,证明了振动能够折断枝晶,起到细化晶粒的作用。随后结合工艺特点,全面地分析了振动铸轧中的细晶机制,结果表明振动对薄带内晶粒所起到的细化效果是枝晶折断、激冷晶游离等多种因素的综合结果。为反映振动对形核率的影响,采用了剪切流与振动耦合的形核率模型,将振动对凝固组织的影响等效为形核功以及扩散系数的改变,为振动铸轧薄带凝固组织的模拟及研究提供了可靠的形核率模型。基于熔池热流耦合数值仿真所提供的温度场数据以及剪切流与振动耦合的形核率模型,利用元胞自动机方法,编写了振动铸轧薄带凝固组织的模拟程序,并借助该程序分别模拟了非振动与振动铸轧薄带凝固组织的演化过程。通过对比得出结论,振动能够抑制柱状晶的生长,增加等轴晶比例,细化薄带晶粒。通过对比不同振动条件下铸轧薄带的模拟凝固组织,发现随着振频、振幅的增加,振动对铸轧薄带凝固组织的改善效果也在逐渐提升。完成20CrMn钢的振动铸轧实验,测试了实验所得薄带的力学性能,验证了振动改善薄带力学性能的效果。观察了薄带的金相组织,分析了振动改善薄带力学性能的机制,并验证了本文所建振动铸轧薄带凝固组织模拟程序的可靠性。
张涛[9]（2020）在《基于元胞自动机的BGA锡铅焊球凝固过程模拟研究》文中研究表明球栅阵列封装（BGA）技术作为一种先进的集成电路芯片封装技术,能够使集成电路芯片在传输数据过程有更高的传输效能,更低的芯片功耗。BGA技术中起连接芯片与电路板之间桥梁作用的金属焊球的性能决定了封装后芯片的使用性能。采用均匀液滴喷射（UDS）技术制备的焊球由于其独特的优异性能获得了广泛关注。随着计算机技术的不断发展,利用元胞自动机方法来研究金属的凝固过程也广为采用。然而,基于元胞自动机方法模拟UDS制备工艺中BGA锡铅焊球的枝晶凝固过程刚刚处于起步阶段。由于该凝固过程的特殊性和复杂性,在建模的过程中仍存在许多问题有待研究和解决。本文建立了基于元胞自动机的UDS制备工艺中BGA锡铅焊球凝固的模拟方法。该模拟方法充分考虑了锡铅焊球的球状边界形貌,溶质守恒条件,液滴表面的散热速率以及液滴内部固液界面处凝固潜热释放对锡铅液滴整体温度的影响。分别对假设了液滴内部温度分布均匀且不变的理想条件下和UDS制备工艺中BGA锡铅焊球的枝晶凝固过程进行了模拟研究,并对模拟结果做了比较分析。讨论了在上述理想条件下BGA锡铅焊球的过冷度和界面能各向异性参数对枝晶生长的影响。较大的过冷度会加快枝晶固液界面推进的速度,使枝晶的形貌更为粗壮,枝晶的分枝过程更为复杂;低界面能各向异性强度会维持等轴晶生长过程的形貌稳定,增加界面能各向异性强度会使等轴晶的形貌变得不规则和更复杂。讨论了UDS制备工艺中冷却速率和腔室气体温度对锡铅焊球枝晶凝固的影响。冷却速率越高,过冷度越大,枝晶尖端推进的速度也更快。气体温度越高,BGA锡铅焊球与外界的温差越低,冷却速率越小。
郭钊[10]（2019）在《航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究》文中研究指明精密铸造定向凝固工艺是整体铸造复杂形状高温合金叶片的主要技术,被广泛应用于航空类高温复杂零部件成形制造中。目前,定向凝固过程实验研究无法直观地反映工艺-物理场-凝固组织之间影响过程机理,而数值模拟研究在一定程度上虽然能得到一些定向凝固过程工艺影响规律和组织演变机理,但由工艺到铸件凝固组织是一个涉及多尺度耦合的过程,单个尺度的数值模拟研究常常忽略了定向凝固过程的多尺度联系,易导致无法实际准确表征定向凝固组织演化过程机理。据此,本文针对实际航空镍基高温合金叶片精密铸造定向凝固工艺过程,采用数值模拟与实验研究方法,系统研究了定向凝固过程宏观尺度传热、微观尺度组织生长及介观晶粒演化生长行为与机理,深入探索了多物理场多尺度之间耦合作用对凝固组织的影响规律,开发了基于华铸CAE定向凝固过程多尺度数值预测分析系统,并应用于航空单晶叶片定向凝固过程的工艺优化,科学指导实际生产。主要研究工作与取得的成果如下。开展了定向凝固过程多尺度实验。在宏观尺度上,研究了定向炉膛设备传热关键位置和铸件系统温度场分布规律,结果表明,对于隔热板不同位置,隔热板内部位置温度场相对最稳定,对于水冷铜环不同位置,越往下远离加热区和隔热区,其温度场越不稳定;在微观尺度上,研究了镍基高温合金定向凝固柱状晶组织的演化规律,结果表明,该镍基高温合金定向凝固柱状晶局部横截面枝晶尺寸最大超过了500微米,一次枝晶间距大小为0.189 mm;在介观尺度上,分析介观晶粒在定向温度场作用下的竞争生长规律,结果表明,随着沿Z轴正方向凝固生长,各截面晶粒数逐渐降低,但晶粒尺寸逐渐增大。构建了定向凝固过程多尺度耦合数学模型。在宏观尺度上,修正了定向凝固过程宏观尺度传热数值模型;在微观尺度上,改进了微观组织生长数值模型;在介观尺度上,建立了适用于有限区域多晶粒介/微观组织演化数值模型;最后,综合宏观传热模型与介/微观晶粒演化模型,同时考虑初生枝晶-二次共晶耦合生长,构建全尺寸铸件的直接凝固组织演化多尺度耦合模型。在定向凝固过程宏观尺度传热研究上,提出了一种针对定向凝固炉膛中复杂铸件系统的变时间步长特征射线动态追踪算法,并改进了差分网格外表面辐射热量数值计算精度。对定向凝固抽拉阶段多个叶片宏观温度场进行了数值模拟研究,模拟结果表明,模壳最终温度场呈现中心径向对称分布,模壳径向向外的外表面温度场都大于模壳径向向内的表面温度场。在定向凝固微观尺度组织研究上,改进了CA数值模拟方法,采用27点溶质场离散格式对微观枝晶生长过程进行了数值离散求解,对微观枝晶生长进行了数值模拟分析,结果表明,在入口速度V为5.0×10-4 m·s-1时,随着过冷度的增大,枝晶形貌非对称性生长影响逐渐减小,在过冷度ΔT为4 K时,随着入口速度的增大,枝晶形貌非对称性生长影响逐渐增大;取向越大的枝晶其枝晶臂形貌更繁茂,更易阻碍淘汰邻近其它枝晶的生长。在定向凝固介观尺度组织研究上,提出了一种在同一介观网格尺度下定量计算固相分数的晶粒界面追踪模拟算法,并研究了形核参数对定向凝固组织等轴晶向柱状晶的影响规律,模拟结果表明,当平均过冷度与过冷度方差比值逐渐增大时,熔体内部的形核参数将逐渐对铸件组织影响减小。研究了冷却速率、温度梯度对凝固晶粒尺寸及组织结构（ECT）分布的影响规律,模拟结果表明,随着冷却速率的增大,等轴晶晶粒尺寸由粗大变细小,晶粒数明显增大,同时温度梯度的增加能促进了柱状晶的快速生长,从而抑制晶粒形核数。在定向凝固宏-介/微观多尺度耦合研究上,对单晶叶片引晶段与选晶段凝固组织演变过程进行数值模拟分析,模拟结果表明,在低抽拉速度下,可提高选晶器淘汰晶粒个数,但将延长选晶距离。对全尺寸单晶叶片定向凝固组织进行数值模拟分析,模拟结果表明,当减小叶片变截面尺寸时,可有效抑制杂晶形成。最后,设计开发了基于华铸CAE的定向凝固多尺度模拟软件数值计算模块。对定向凝固缩松缩孔进行数值模拟分析,模拟结果表明,在不同视角下,缩松缩孔分布在引晶段顶端边缘与叶冠边缘,其中缩孔只分布于叶冠处。对单晶叶片定向凝固组织演变过程进行多尺度模拟工艺优化,模拟结果直观体现了宏观等温线内凹形状容易在具有复杂外形的单晶铸件平台形成较大过冷度,导致产生杂晶缺陷,而水平或者外凸形状则不会导致杂晶。
二、枝晶生长的元胞自动机模拟（论文开题报告）
（1）论文研究背景及目的
此处内容要求：
首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景，再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题，并提出你的论文准备的观点或解决方法。
写法范例：
本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。
（2）本文研究方法
调查法：该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。
观察法：用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。
实验法：通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。
文献研究法：通过调查文献来获得资料，从而全面的、正确的了解掌握研究方法。
实证研究法：依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。
定性分析法：对研究对象进行“质”的方面的研究，这个方法需要计算的数据较少。
定量分析法：通过具体的数字，使人们对研究对象的认识进一步精确化。
跨学科研究法：运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。
功能分析法：这是社会科学用来分析社会现象的一种方法，从某一功能出发研究多个方面的影响。
模拟法：通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。
三、枝晶生长的元胞自动机模拟（论文提纲范文）
（1）激光熔覆Inconel 625合金组织演变的数值分析（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 激光熔覆技术 |
| 1.3 激光熔覆模拟研究进展 |
| 1.3.1 激光熔覆温度场模拟进展 |
| 1.3.2 激光熔覆组织演变模拟进展 |
| 1.4 研究内容及技术路线 |
| 2 温度场模型建立 |
| 2.1 有限元模型建立 |
| 2.1.1 定义材料属性及单元类型 |
| 2.1.2 建立几何模型及网格划分 |
| 2.1.3 施加热源 |
| 2.2 有限差分模型建立 |
| 2.2.1 试样内部传热方程 |
| 2.2.2 定义边界条件 |
| 2.2.3 差分方程的收敛性与稳定性 |
| 2.3 模型对比分析 |
| 2.4 本章小结 |
| 3 温度场模拟及分析 |
| 3.1 单道激光熔覆温度场模拟 |
| 3.2 不同工艺参数下温度场模拟 |
| 3.2.1 激光功率对温度场演变的影响 |
| 3.2.2 激光扫描速度对温度场演变的影响 |
| 3.3 多层多道激光熔覆温度场模拟 |
| 3.4 温度场模拟结果验证 |
| 3.5 本章小结 |
| 4 微观组织演变过程的耦合模型建立 |
| 4.1 宏微观温度场转变 |
| 4.2 微观组织模拟条件简化 |
| 4.3 晶体形核与生长模型 |
| 4.3.1 晶体形核模型 |
| 4.3.2 晶体生长模型 |
| 4.4 溶质扩散与再分配模型 |
| 4.5 模型检验 |
| 4.5.1 模型运行检验 |
| 4.5.2 模型稳定性检验 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 微观组织演变过程的数值模拟及分析 |
| 5.1 单道熔覆层晶体生长模拟 |
| 5.1.1 熔覆层微观温度场模拟 |
| 5.1.2 熔覆层晶体生长模拟 |
| 5.1.3 熔覆层局部区域晶体生长模拟 |
| 5.2 不同参数下晶体生长模拟 |
| 5.2.1 形核基底数对晶体生长的影响 |
| 5.2.2 激光功率对晶体生长的影响 |
| 5.2.3 激光扫描速度对晶体生长的影响 |
| 5.3 多层多道熔覆层晶体生长模拟 |
| 5.3.1 多层多道CA-FD模型建立 |
| 5.3.2 多层多道熔覆层晶体生长过程模拟 |
| 5.4 相转变模拟 |
| 5.4.1 相转变模型建立 |
| 5.4.2 相转变过程模拟 |
| 5.5 模拟结果验证 |
| 5.6 三维晶体生长数值模拟 |
| 5.6.1 三维等轴晶生长过程模拟 |
| 5.6.2 不同参数下三维等轴晶生长模拟 |
| 5.6.3 三维多个等轴晶生长过程模拟 |
| 5.7 本章小结 |
| 6 结论 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间主要研究成果 |
（2）奥氏体不锈钢凝固与热变形再结晶晶粒组织的多尺度模拟研究（论文提纲范文）
| 中文摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 引言 |
| 1.2 金属凝固组织的模拟研究 |
| 1.2.1 宏微观耦合控制方程 |
| 1.2.2 非均匀形核 |
| 1.2.3 枝晶生长动力学 |
| 1.2.4 柱状晶向等轴晶转变CET模型 |
| 1.2.5 CA和FE的耦合模型 |
| 1.3 电渣重熔过程凝固组织的模拟研究 |
| 1.4 热变形组织的模拟研究 |
| 1.4.1 唯象模型建模方法 |
| 1.4.2 介观尺度CA法晶粒演变模型 |
| 1.4.3 分子动力学法MD模拟 |
| 1.5 主要研究内容及技术路线 |
| 第二章 Mn18Cr18N钢凝固组织宏微观尺度的模拟研究 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 Mn18Cr18N空心钢锭凝固过程宏观尺度的模拟研究 |
| 2.2.1 Mn18Cr18N空心钢锭模铸凝固组织的模拟 |
| 2.2.2 宏观有限元模型的建立 |
| 2.2.3 冷却条件对空心钢锭凝固过程的影响 |
| 2.2.4 冷却条件对空心钢锭凝固晶粒组织的影响 |
| 2.2.5 形核密度对空心钢锭凝固组织的影响 |
| 2.3 Mn18Cr18N电渣重熔钢锭凝固组织的宏观尺度模拟 |
| 2.3.1 ESR空心铸锭的凝固组织模拟 |
| 2.3.2 电渣重熔空心钢锭凝固过程分析 |
| 2.4 CA法柱状晶生长模块开发 |
| 2.4.1 CA法模拟微观组织原理 |
| 2.4.2 凝固组织的形核与长大模型 |
| 2.4.3 柱状晶长大规则及模块开发 |
| 2.4.4 跨尺度仿真模拟的开发与建模 |
| 2.4.5 实验室电渣重熔实心钢锭典型位置柱状晶凝固组织的模拟 |
| 2.4.6 电渣重熔凝固空心钢锭柱状晶凝固组织的模拟 |
| 2.4.7 电渣重熔凝固组织微观尺度的点跟踪模拟 |
| 2.5. 本章结论 |
| 第三章 FeCrNi钢纳观尺度柱状晶变形行为的模拟研究 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 奥氏体柱状晶压缩变形的分子动力学模拟模型 |
| 3.3 柱状晶压缩变形的力学行为 |
| 3.4 柱状晶组织压缩变形机理 |
| 3.5 柱状多晶的尺寸效应 |
| 3.6 本章小结 |
| 第四章 Mn18Cr18N锻态钢动态再结晶行为及其CA法模拟 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 Mn18Cr18N锻态钢等轴组织的热压缩变形力学行为 |
| 4.2.1 热压缩实验方法 |
| 4.2.2 Mn18Cr18N锻态钢初始等轴组织 |
| 4.2.3 热压缩应力-应变曲线 |
| 4.3 Mn18Cr18N锻态钢组织热变形本构模型的建立 |
| 4.3.1 Arrhenius模型 |
| 4.3.2 加工硬化-动态回复阶段 |
| 4.3.3 动态再结晶阶段 |
| 4.3.4 模型验证 |
| 4.4 Mn18Cr18N锻态钢热加工功率耗散图的建立与分析 |
| 4.4.1 Mn18Cr18N锻态钢热加工功率耗散图的建立 |
| 4.4.2 热加工功率耗散图上的典型组织 |
| 4.5 Mn18Cr18N钢锻态组织再结晶的CA模拟法则及程序开发 |
| 4.5.1 锻态组织热变形动态再结晶CA模型 |
| 4.5.2 等轴初始晶粒组织模拟的模块开发 |
| 4.5.3 动态再结晶形核规则及模块开发 |
| 4.5.4 动态再结晶晶粒长大规则及模块开发 |
| 4.5.5 动态再结晶晶内孪晶转变规则及模块开发 |
| 4.6 Mn18Cr18N钢锻态组织动态再结晶开发模块的CA法模拟 |
| 4.6.1 变形程度对再结晶组织影响的CA模拟 |
| 4.6.2 变形温度对动态再结晶影响的CA模拟 |
| 4.6.3 应变速率对动态再结晶影响的CA模拟 |
| 4.7 本章小结 |
| 第五章 Mn18Cr18N ESR钢热变形行为及动态再结晶 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 Mn18Cr18N ESR钢的热压缩流变应力行为 |
| 5.3 Mn18Cr18N ESR钢热变形本构模型的建立 |
| 5.4 Mn18Cr18NESR钢热压缩变形的热加工功率耗散图 |
| 5.4.1 Mn18Cr18NESR钢热加工功率耗散图的建立 |
| 5.4.2 低应变速率条件下动态再结晶的特征 |
| 5.4.3 高应变速率条件下动态再结晶的特征 |
| 5.5 Mn18Cr18N ESR钢柱状晶动态再结晶 |
| 5.5.1 位错控制的动态再结晶 |
| 5.5.2 孪晶控制的动态再结晶 |
| 5.6 Mn18Cr18N ESR钢动态再结晶的CA模拟法则及程序开发 |
| 5.6.1 柱状晶组织热变形动态再结晶CA模型与程序开发 |
| 5.6.2 位错控制的Mn18Cr18N ESR钢动态再结晶CA法模拟 |
| 5.6.3 孪晶控制的Mn18Cr18N ESR钢动态再结晶CA法模拟 |
| 5.7 Mn18Cr18NESR钢动态再结晶的宏微观耦合模拟CA法模块开发 |
| 5.7.1 动态再结晶点跟踪模拟的CA法耦合模块开发 |
| 5.7.2 动态再结晶点跟踪的CA法模拟 |
| 5.8 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 6.1 论文结论 |
| 6.2 论文实创新点 |
| 6.3 工作展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 攻读博士学位期间所获研究成果 |
（3）增材制造多尺度仿真与力学性能研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 课题背景及意义 |
| 1.2 增材制造IN718 合金研究现状 |
| 1.3 温度场仿真研究 |
| 1.4 微观组织演化的数值模拟研究 |
| 1.5 晶体塑性有限元仿真研究 |
| 1.6 本文研究内容 |
| 2 SLM工艺过程介观温度场建模仿真 |
| 2.1 SLM工艺过程仿真的数值模型 |
| 2.1.1 控制方程 |
| 2.1.2 热源模型 |
| 2.1.3 相变潜热的处理 |
| 2.1.4 边界条件 |
| 2.1.5 有限元几何模型与网格划分 |
| 2.2 仿真结果分析 |
| 2.2.1 温度场空间分布与熔池尺寸分析 |
| 2.2.2 SLM热循环分析 |
| 2.3 基于温度场仿真结果的材料微观组织预测 |
| 2.4 小结 |
| 3 基于扩展Moore邻域的改进元胞自动机算法 |
| 3.1 元胞自动机基本概念 |
| 3.2 微观组织演化的数学模型 |
| 3.2.1 形核模型 |
| 3.2.2 生长模型 |
| 3.3 传统的微观组织演化元胞自动机算法 |
| 3.4 基于扩展Moore邻域的改进元胞自动机算法 |
| 3.5 基于扩展Moore邻域元胞自动机算法与传统算法的对比 |
| 3.6 小结 |
| 4 基于CAFE模型的SLM工艺微观组织演化仿真 |
| 4.1 温度场介观和微观尺度的变换 |
| 4.2 三维晶体信息到二维仿真平面的变换 |
| 4.3 SLM微观组织演化CAFE模型的建立及程序 |
| 4.4 基于CAFE模型的SLM微观组织演化仿真结果 |
| 4.5 微观组织形成机理分析 |
| 4.6 小结 |
| 5 基于晶体塑性有限元的SLM力学性能各向异性研究 |
| 5.1 金属塑性变形过程 |
| 5.2 晶体塑性有限元理论 |
| 5.2.1 运动学和几何学方程 |
| 5.2.2 晶体塑性本构方程 |
| 5.2.3 率相关晶体材料的硬化 |
| 5.2.4 晶体塑性模型的求解 |
| 5.3 三维多晶模型建模 |
| 5.4 晶体塑性有限元仿真结果 |
| 5.5 强度各向异性研究 |
| 5.6 刚度各向异性研究 |
| 5.7 小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 |
| 致谢 |
（4）CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 1 绪论 |
| 1.1 研究背景及意义 |
| 1.2 凝固过程和微观组织的数值模拟 |
| 1.3 CA算法模拟枝晶的生长 |
| 1.3.1 介观尺度的CA算法 |
| 1.3.2 微观尺度的CA算法 |
| 1.3.3 网格效应与CA算法准确性 |
| 1.4 实际的凝固过程中微观组织模拟 |
| 1.5 相场模型模拟枝晶的生长 |
| 1.6 本文研究内容和技术方案 |
| 1.6.1 研究目标 |
| 1.6.2 研究内容 |
| 1.6.3 技术路线图 |
| 2 凝固微观组织模拟的基础模型 |
| 2.1 枝晶尖端稳态生长理论 |
| 2.2 枝晶生长CA模型的概述 |
| 2.3 CA模型的程序设计 |
| 2.3.1 形核模型 |
| 2.3.2 溶质扩散控制方程 |
| 2.3.3 生长动力学计算 |
| 2.3.4 界面元胞内溶质再分配 |
| 2.3.5 界面局部曲率计算与捕获规则 |
| 2.3.6 边界条件与收敛条件 |
| 2.4 枝晶生长算法流程 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 枝晶生长模拟算例 |
| 3.1 单个等轴枝晶的生长 |
| 3.1.1 枝晶生长形貌 |
| 3.1.2 枝晶臂溶质成分分布 |
| 3.1.3 枝晶尖端生长速度 |
| 3.1.4 捕获规则对生长形貌的影响 |
| 3.1.5 不同晶体取向的枝晶生长 |
| 3.1.6 界面能各向异性对枝晶生长的影响 |
| 3.2 多个等轴枝晶的生长 |
| 3.3 柱状枝晶的生长 |
| 3.4 本章小结 |
| 4 振动激冷条件下枝晶生长数值模拟 |
| 4.1 模拟技术原理图 |
| 4.2 凝固微观组织的演化过程 |
| 4.2.1 枝晶的生长模拟结果 |
| 4.2.2 实验中的晶粒组织 |
| 4.3 过冷度对凝固组织的影响 |
| 4.3.1 枝晶的生长过程分析 |
| 4.3.2 溶质成分场分析 |
| 4.4 振动频率对凝固组织的影响 |
| 4.5 本章小结 |
| 5 结论 |
| 参考文献 |
| 硕士研究生学习阶段发表论文 |
| 致谢 |
（5）石墨在熔体凝固中的生长行为和组织形貌演变的模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 选题背景及意义 |
| 1.2 凝固过程中显微组织演化的模拟方法 |
| 1.2.1 相场法 |
| 1.2.2 元胞自动机法 |
| 1.3 灰铸铁的凝固组织特点 |
| 1.3.1 铸铁共晶团显微组织演化的研究 |
| 1.3.2 灰铸铁在孕育剂作用下显微组织演化研究 |
| 1.4 本文研究内容及目的 |
| 第二章 凝固过程组织模拟的研究路线和理论模型 |
| 2.1 研究路线 |
| 2.2 元胞自动机模型 |
| 2.2.1 形核模型 |
| 2.2.2 温度场计算 |
| 2.2.3 浓度场计算 |
| 2.2.4 固相率计算模型 |
| 2.2.5 曲率的计算 |
| 2.2.6 时间步长 |
| 2.2.7 边界条件 |
| 2.2.8 相关物理参数 |
| 第三章 片状石墨在Fe-C熔体中的生长模型建立 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 共晶团生长模型 |
| 3.2.1 石墨与奥氏体的界面捕获规则 |
| 3.2.2 石墨的生长模型 |
| 3.2.3 石墨与奥氏体耦合生长模型 |
| 3.2.4 不同冷却速度共晶团的生长形貌 |
| 3.2.5 不同冷却速度的实验结果 |
| 3.3 本章小结 |
| 第四章 多核心共晶团生长模型的建立及孕育机理探索 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 多核心共晶团凝固演变模型 |
| 4.3 对孕育作用的解释 |
| 4.4 本章小结 |
| 第五章 结论与展望 |
| 5.1 结论 |
| 5.2 论文不足与展望 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 附件 |
（6）多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| abstract |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 课题背景及意义 |
| 1.2 激光熔覆熔池温度场模拟研究现状 |
| 1.3 激光熔覆凝固组织模拟研究现状 |
| 1.3.1 常用的凝固组织模拟方法 |
| 1.3.2 凝固组织研究现状 |
| 1.4 本文主要研究内容 |
| 第二章 数值模拟理论基础 |
| 2.1 传热学基础 |
| 2.1.1 传热方式 |
| 2.1.2 能量守恒 |
| 2.2 熔池流动控制方程 |
| 2.2.1 质量守恒方程 |
| 2.2.2 动量守恒方程 |
| 2.3 熔池凝固理论基础 |
| 2.3.1 联生结晶 |
| 2.3.2 枝晶生长动力学 |
| 2.3.3 熔池非平衡凝固行为 |
| 2.3.4 非均匀形核机制 |
| 2.4 本章小结 |
| 第三章 激光熔覆熔池传热传质及微观组织演变建模及耦合算法 |
| 3.1 激光熔覆熔池传热传质建模 |
| 3.1.1 基本假设 |
| 3.1.2 控制方程 |
| 3.1.3 几何模型 |
| 3.1.4 热源模型 |
| 3.1.5 边界条件 |
| 3.1.6 网格划分 |
| 3.1.7 物性参数 |
| 3.2 元胞自动机模型 |
| 3.2.1 晶粒形核模型 |
| 3.2.2 晶粒生长模型 |
| 3.3 FE与CA模型耦合 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 不同冷却条件下激光熔覆微观组织细化效果研究 |
| 4.1 多层激光熔覆薄壁工件建模及验证 |
| 4.1.1 基本假设及控制方程 |
| 4.1.2 几何模型及网格划分 |
| 4.1.3 模拟参数及取值 |
| 4.1.4 模型验证 |
| 4.2 模拟结果及分析 |
| 4.2.1 不同冷却系数下的凝固条件分析 |
| 4.2.2 熔覆层高度对凝固条件的影响 |
| 4.2.3 冷却速度随高度变化规律 |
| 4.2.4 冷却效果随高度变化规律 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 多层激光熔覆凝固组织形貌演变研究 |
| 5.1 宏微观耦合模型 |
| 5.1.1 几何模型及网格划分 |
| 5.1.2 模拟参数及取值 |
| 5.1.3 宏观计算与微观计算耦合 |
| 5.2 单道凝固组织模拟结果及分析 |
| 5.2.1 熔池形貌分析及凝固条件分析 |
| 5.2.2 工艺参数对凝固组织影响的影响 |
| 5.2.3 形核参数对凝固组织形貌的影响 |
| 5.3 多层凝固组织模拟结果及实验验证 |
| 5.3.1 初始晶粒尺寸对凝固组织形貌影响 |
| 5.3.2 工艺参数对凝固组织形貌影响 |
| 5.3.3 扫描路径对凝固组织形貌影响 |
| 5.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 致谢 |
| 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 |
（7）基于CA-LBM方法的三维晶粒群运动行为的数值模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 符号注释表 |
| 第一章 绪论 |
| 1.1 课题的研究背景及意义 |
| 1.2 凝固过程微观组织的研究进程 |
| 1.2.1 相场方法(PF方法) |
| 1.2.2 元胞自动机方法(CA方法) |
| 1.3 等轴晶运动行为的研究进展 |
| 1.4 格子玻尔兹曼方法在固液边界处理中的应用 |
| 1.5 研究目标、研究内容和研究方法、技术路线 |
| 1.5.1 研究目标 |
| 1.5.2 研究内容和研究方法 |
| 1.5.3 技术路线 |
| 1.6 本章小结 |
| 第二章 枝晶运动的三维CA-LBM模型 |
| 2.1 元胞自动机模型 |
| 2.1.1 三维等轴晶的生长模型 |
| 2.1.2 三维等轴晶的捕获模型 |
| 2.2 宏观传输过程的格子Boltzmann模型 |
| 2.2.1 流场的格子Boltzmann模型 |
| 2.2.2 温度场和溶质场的格子Boltzmann模型 |
| 2.3 边界条件 |
| 2.3.1 标准反弹格式 |
| 2.3.2 非平衡外推格式 |
| 2.3.3 半反弹格式 |
| 2.3.4 溶质外推分配法 |
| 2.4 数值模型的程序流程图 |
| 2.5 本章小节 |
| 第三章 对三维晶粒运动生长模型合理性的评测 |
| 3.1 三维等轴晶生长过程的验证 |
| 3.2 固液界面相互作用力验证 |
| 3.3 单枝晶的平动验证 |
| 3.4 本章小结 |
| 第四章 单个三维等轴晶在熔体中的运动和生长 |
| 4.1 择优生长角为0时的三维等轴晶生长和运动 |
| 4.2 运动条件下二维和三维模型模拟结果对比 |
| 4.3 本章小结 |
| 第五章 多枝晶在熔体中的运动和生长 |
| 5.1 多个枝晶的运动和生长行为研究 |
| 5.2 不同影响因素对等轴晶运动的影响 |
| 5.2.1 溶质浮力和热浮力对等轴晶运动的影响 |
| 5.2.2 固相密度对等轴晶运动的影响 |
| 5.3 本章小结 |
| 第六章 结论与展望 |
| 6.1 结论 |
| 6.2 本文创新点 |
| 6.3 展望 |
| 参考文献 |
| 攻读学位期间所取得的相关研究成果 |
| 致谢 |
（8）双辊薄带振动铸轧凝固组织的元胞自动机模拟及实验研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 双辊薄带铸轧技术概述 |
| 1.1.1 双辊薄带铸轧原理 |
| 1.1.2 双辊薄带铸轧技术的优势 |
| 1.2 双辊薄带铸轧技术的发展历程 |
| 1.2.1 国外双辊薄带铸轧技术发展历程 |
| 1.2.2 国内双辊薄带铸轧技术发展历程 |
| 1.3 双辊薄带振动铸轧技术的提出与发展 |
| 1.3.1 提出双辊薄带振动铸轧技术 |
| 1.3.2 双辊薄带振动铸轧技术研究概况 |
| 1.4 凝固微观组织模拟研究概况 |
| 1.5 本文主要研究内容 |
| 第2章 振动铸轧熔池热流耦合仿真 |
| 2.1 基本假设与控制方程 |
| 2.1.1 基本假设 |
| 2.1.2 控制方程 |
| 2.2 几何模型与网格划分 |
| 2.3 定解条件的处理 |
| 2.4 动网格设置 |
| 2.5 数学模型相关参数 |
| 2.6 振动对熔池温度场、流场的影响 |
| 2.6.1 铸轧非稳定阶段 |
| 2.6.2 铸轧稳定阶段 |
| 2.6.3 振动对熔体流动的影响 |
| 2.6.4 振动对熔池温度场的影响 |
| 2.7 本章小结 |
| 第3章 振动铸轧细晶机制与形核率模型 |
| 3.1 振动铸轧薄带凝固界面枝晶折断研究 |
| 3.1.1 研究的基本假设 |
| 3.1.2 振动辊表面枝晶的运动分析 |
| 3.1.3 枝晶受力分析及折断校核 |
| 3.2 振动铸轧细晶机制 |
| 3.3 振动铸轧形核率模型 |
| 3.4 本章小结 |
| 第4章 振动铸轧薄带凝固组织的元胞自动机模拟 |
| 4.1 元胞自动机的定义及构成 |
| 4.2 生长模型 |
| 4.2.1 晶粒生长速度 |
| 4.2.2 凝固界面过冷度 |
| 4.3 固相率增量 |
| 4.4 宏微观数据传输 |
| 4.5 程序与算法 |
| 4.6 振动铸轧凝固组织的模拟结果 |
| 4.6.1 振动对铸轧薄带凝固组织的影响 |
| 4.6.2 振动参数对振动铸轧薄带凝固组织的影响 |
| 4.7 本章小结 |
| 第5章 双辊薄带振动铸轧实验 |
| 5.1 实验设备介绍 |
| 5.2 实验方案与过程 |
| 5.2.1 实验工艺参数 |
| 5.2.2 实验过程与结果 |
| 5.3 铸轧薄带拉伸试验 |
| 5.4 薄带微观组织观察 |
| 5.5 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 |
| 致谢 |
（9）基于元胞自动机的BGA锡铅焊球凝固过程模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| Abstract |
| 第1章 绪论 |
| 1.1 课题背景及研究意义 |
| 1.2 金属粉末制备技术的发展历程和应用 |
| 1.3 元胞自动机方法 |
| 1.4 元胞自动机方法在凝固过程及其微观组织中的应用 |
| 1.5 本文的主要研究内容 |
| 第2章 基于元胞自动机的枝晶生长模型的建立 |
| 2.1 枝晶生长模型 |
| 2.1.1 枝晶生长的尖锐界面模型和扩散界面模型 |
| 2.1.2 基于尖锐界面的溶质扩散控制模型 |
| 2.1.3 数值模拟计算区域及元胞状态的设定 |
| 2.1.4 固液界面处元胞的生长 |
| 2.1.5 枝晶生长中的溶质再分配过程 |
| 2.2 枝晶生长模型的数值求解过程 |
| 2.2.1 固液界面处曲率的计算 |
| 2.2.2 界面推进速度与固相增量的计算 |
| 2.2.3 初始条件与边界条件 |
| 2.3 枝晶生长模型的模拟程序及计算流程 |
| 2.3.1 时间步长的确定 |
| 2.3.2 模拟程序的计算流程 |
| 2.4 本章小结 |
| 第3章 理想条件下BGA锡铅焊球枝晶生长模拟 |
| 3.1 等轴晶形貌模拟及分析 |
| 3.2 等轴晶溶质场模拟及分析 |
| 3.3 过冷度对凝固过程的影响 |
| 3.4 各向异性强度对凝固过程的影响 |
| 3.5 本章小结 |
| 第4章 UDS制备工艺中的BGA锡铅焊球枝晶生长的模拟 |
| 4.1 UDS制备工艺中BGA锡铅焊球下落过程的冷却速率 |
| 4.2 冷却速率为常数下的BGA锡铅焊球凝固过程模拟 |
| 4.3 UDS制备工艺中BGA锡铅焊球凝固过程模拟 |
| 4.4 本章小结 |
| 结论 |
| 参考文献 |
| 攻读硕士学位期间发表的学术论文 |
| 致谢 |
（10）航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究（论文提纲范文）
| 摘要 |
| ABSTRACT |
| 1 绪论 |
| 1.1 课题来源、研究背景和目的意义 |
| 1.2 镍基高温合金与定向凝固工艺概述 |
| 1.3 定向凝固过程宏观温度场模拟研究发展概述 |
| 1.4 定向凝固过程微观组织模拟研究发展概述 |
| 1.5 定向凝固过程介观组织模拟研究发展概述 |
| 1.6 定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究发展概述 |
| 1.7 目前存在的主要问题与本文研究的主要内容 |
| 2 镍基高温合金定向凝固过程多尺度实验研究 |
| 2.1 引言 |
| 2.2 定向凝固过程宏观尺度测温实验 |
| 2.3 定向凝固过程微观尺度组织金相、SEM实验 |
| 2.4 定向凝固介观晶粒组织竞争淘汰生长实验 |
| 2.5 本章小结 |
| 3 定向凝固过程多尺度耦合数学模型 |
| 3.1 引言 |
| 3.2 定向凝固过程物理模型简化及基本条件假设 |
| 3.3 定向凝固过程宏观尺度传热模型 |
| 3.4 定向凝固过程微观尺度组织生长模型 |
| 3.5 定向凝固过程介观尺度组织演化模型 |
| 3.6 宏-介/微观多尺度耦合晶粒演化模型 |
| 3.7 本章小结 |
| 4 镍基高温合金定向凝固过程宏观温度场数值模拟 |
| 4.1 引言 |
| 4.2 基于离散传递的辐射热量射线动态追踪计算方法 |
| 4.3 改进差分网格的辐射数值计算 |
| 4.4 定向凝固过程宏观传热模型算法的解析及实验验证 |
| 4.5 抽拉阶段多个涡轮叶片辐射传热数值模拟 |
| 4.6 本章小结 |
| 5 镍基高温合金定向凝固过程微观组织生长数值模拟 |
| 5.1 引言 |
| 5.2 枝晶及共晶生长元胞自动机模拟算法与数值求解 |
| 5.3 同位网格多物理场数值离散与求解技术 |
| 5.4 微观组织生长模型算法解析验证 |
| 5.5 定向凝固过程微观组织生长数值模拟 |
| 5.6 本章小结 |
| 6 镍基高温合金定向凝固过程介观组织演化数值模拟 |
| 6.1 引言 |
| 6.2 介观晶粒界面追踪模拟算法与数值求解 |
| 6.3 介/微观晶粒生长模型与界面追踪模拟算法验证 |
| 6.4 定向凝固过程介观晶粒形核与生长数值模拟 |
| 6.5 本章小结 |
| 7 定向凝固过程宏-介/微观多尺度耦合晶粒演化过程数值模拟 |
| 7.1 引言 |
| 7.2 定向凝固宏-介/微观多尺度耦合模型实验验证 |
| 7.3 单晶叶片引晶段与选晶段凝固晶粒组织模拟 |
| 7.4 单晶叶片全尺寸整体凝固晶粒组织模拟 |
| 7.5 本章小结 |
| 8 基于华铸CAE的定向凝固过程多尺度模拟软件的开发与应用 |
| 8.1 引言 |
| 8.2 基于华铸CAE的定向凝固过程多尺度模拟软件的设计 |
| 8.3 定向凝固过程多尺度模拟软件的功能开发与集成 |
| 8.4 航空用单晶叶片定向凝固工艺过程模拟仿真应用 |
| 8.5 本章小结 |
| 9 总结与展望 |
| 9.1 全文总结 |
| 9.2 创新点 |
| 9.3 研究展望 |
| 致谢 |
| 参考文献 |
| 附录1 攻读博士学位期间的学术成果与学术交流 |
四、枝晶生长的元胞自动机模拟（论文参考文献）
- [1]激光熔覆Inconel 625合金组织演变的数值分析[D]. 郭宇飞. 西安理工大学, 2021(01)
- [2]奥氏体不锈钢凝固与热变形再结晶晶粒组织的多尺度模拟研究[D]. 朱花. 太原科技大学, 2021(01)
- [3]增材制造多尺度仿真与力学性能研究[D]. 梁晨. 大连理工大学, 2021(01)
- [4]CA法模拟铁素体不锈钢凝固过程中的形核和长大行为[D]. 石钦. 西安建筑科技大学, 2021
- [5]石墨在熔体凝固中的生长行为和组织形貌演变的模拟研究[D]. 侯兆乾. 山东大学, 2020(10)
- [6]多层激光熔覆熔池传热传质及凝固行为研究[D]. 张云浩. 石家庄铁道大学, 2020
- [7]基于CA-LBM方法的三维晶粒群运动行为的数值模拟研究[D]. 白羽. 河北工业大学, 2020(02)
- [8]双辊薄带振动铸轧凝固组织的元胞自动机模拟及实验研究[D]. 朱志旺. 燕山大学, 2020(01)
- [9]基于元胞自动机的BGA锡铅焊球凝固过程模拟研究[D]. 张涛. 哈尔滨理工大学, 2020(02)
- [10]航空镍基高温合金叶片定向凝固过程多尺度耦合数值模拟研究[D]. 郭钊. 华中科技大学, 2019(01)