[发明专利]铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法。

背景技术

铸件凝固过程中所形成的晶粒组织直接决定着铸件的力学性能和使用性能。例如，螺旋桨的叶片希望获得单方向生长的柱状晶或是单晶，因为该种铸件在使用过程中强调单方向性能。柱状晶组织或单晶组织具有突出的抗热冲击性能、高的高温抗蠕变力以及中温塑性，能够延长叶片的疲劳寿命，从而延长叶片的使用寿命。而汽车发动机则希望在凝固过程中获得大量细小等轴晶。由于等轴晶的晶界面积较大，杂质和缺陷分布比较分散，且等轴晶粒各向同性，这会提高铸件力学性能的均匀性。细小等轴晶还有助于提高抗疲劳性能。因此控制铸件晶粒组织是提高铸件产品力学性能的有效手段。采用实验方法探寻晶粒组织形成特点具有盲目性，而且还会增加产品成本，浪费了人力、物力和财力，也污染了环境。因此通过计算机模拟的方法预测铸件晶粒组织，根据模拟结果不断优化铸造工艺，直至得到具有所需晶粒组织的铸件。利用计算机模拟技术预测晶粒组织形成，是提高铸件产品质量的一个重要手段，也是高科技推动传统铸造产业发展的关键。

铸件晶粒组织主要呈现三种形貌：紧贴铸型内表面的细小等轴晶(晶粒轮廓线为球形)，也称激冷区；邻近激冷区的柱状晶(晶粒轮廓线近似长形)，柱状晶组成的区域称为柱状晶区；邻近柱状晶区的较粗大等轴晶(晶粒轮廓线近似圆形)，较粗大等轴晶组成的区域为等轴晶区。晶粒组织的形成是凝固过程中冶金传输的结果。凝固过程中存在四种基本传输现象：热量传输、溶质传输、液相动量传输和固相动量传输。目前广泛使用的晶粒组织模拟方法为有限元-元胞自动机法(FE-CA)和有限差分-元胞自动机法(FDM-CA)，这两种方法在预测凝固组织方面存在的问题是：当耦合固相动量传输(等轴晶粒运动)时计算非常复杂，计算时间长，这难以符合生产实际中“提高效率、缩短时间”的要求。这就强调所开发的铸件晶粒组织数值模拟方法不但包含了等轴晶粒运动对凝固组织形成的影响，还要尽量简化模型并且缩短计算时间和计算量。这在深入探寻晶粒移动对组织形成的影响规律和开发铸造工艺控制晶粒组织方面均具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的目前晶粒组织模拟中计算晶粒移动所导致的计算量大以及计算时间长的问题，而提出一种铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法。

一种铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法，铸件晶粒组织形成相关数值的模拟方法通过以下步骤实现：

步骤一、在X×Y米铸锭系统的X方向和Y方向上，分别以X方向网格剖分步长△x和Y方向网格剖分步长△y进行宏观尺度网格剖分，形成一系列计算网格，且由(j，k)_char＝z表示计算网格的类型，z取0、4、5、6、7和8时分别铸锭网格、内冷铁网格、外冷铁网格、冒口套网格、保温材料网格和绝热材料网格；

其中，△x＝△y，△x和△y的取值范围都为1×10^-3～4×10^-3米；j、k和z均为整数，j表示二维数组中X轴方向上网格的标号，j的取值范围为1～M，k表示二维数组中Y轴方向上网格的标号，k的取值范围是1～N，

步骤二、在t时刻针对所有z＝0类型的计算网格(j，k)_char＝0，获得t时刻下铸件内等轴晶晶核密度的分布；

步骤三、针对所有z≠0类型的计算网格(j，k)_char≠0，计算能量守恒方程，获得温度T分布：

[H]＝c_pT，

其中，c_p表示比热，ρ表示密度，λ表示导热系数；

步骤四、重复步骤二和步骤三，直到在t^*时刻下所有z＝0的计算网格(j，k)_char＝0中最高温度小于液相线温度T_L，记录t^*时刻下所有计算网格(j，k)_char＝0对应的等轴晶晶核密度

步骤五、采用CA法则进行晶粒组织模拟：