[发明专利]一种基于相场法的弯曲枝晶生长模拟方法

说明书

一种基于相场法的弯曲枝晶生长模拟方法，包括如下步骤：简化条件与模型初始化；建立宏观温度场方程和瞬态枝晶生长偏向角方程；建立微观组织演变模型，基于金兹堡‑朗道理论，建立模拟弯曲枝晶生长的相场模型；宏观‑微观耦合计算，将宏观温度场和枝晶生长偏向角引入到相场模型中，计算弯曲枝晶的生长过程，最终获得弯曲枝晶形貌。本发明可以定量地模拟和预测凝固过程弯曲枝晶的形成，动态的再现凝固微观组织的形成过程，有助于深化理解凝固微观组织演变过程，为微观组织演变研究及工艺优化奠定了基础。

技术领域

本发明属于弯曲枝晶生长研究领域，具体涉及一种基于相场法的弯曲枝晶生长模拟方法。

背景技术

凝固过程一直以来都是诸多研究学者的重点研究课题，因为复杂的凝固过程能够决定构件的最终凝固微观组织，从而影响其力学性能。学习和研究复杂的凝固过程和形成的最终微观组织，可以为工艺优化提供宝贵的理论基础和数据经验。

传统研究多是建立在实验数据及经验的基础之上，不仅研究过程漫长，资金花费巨大，而且往往难以满足不断提高的工艺精度和精确性的要求。随着计算机技术的快速发展以及凝固理论的不断完善，采用数值模拟方法研究凝固微观组织演变过程成为可能。利用数值模拟技术可以定量地模拟和预测凝固过程晶粒形貌变化、晶粒度变化、晶粒分布情况、一次枝晶间距以及二次枝晶间距等重要凝固特征，进而可以有效地分析工艺参数对最终凝固微观组织的影响，为改善生产工艺提供理论依据。

弯曲枝晶是一种很常见的凝固微观组织，建立可以定量预测凝固过程弯曲枝晶的形成规律及特点的相场模型，可以丰富凝固理论和优化凝固工艺。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于相场法的弯曲枝晶生长模拟方法，建立了可以定量预测凝固过程弯曲枝晶的形成规律及特点的相场模型。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于相场法的弯曲枝晶生长模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：简化条件与模型初始化，根据实际情况构建模型；

步骤二：建立宏观温度场方程和瞬态枝晶生长偏向角方程；

步骤三：建立微观组织演变模型，基于金兹堡-朗道理论，建立模拟弯曲枝晶生长的相场模型；

步骤四：宏观-微观耦合计算，将宏观温度场和枝晶生长偏向角引入到相场模型中，计算弯曲枝晶的生长过程。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述步骤一中，在建立模型的过程中进行了如下假设：

固液界面的初始状态是一个平面晶形态，并且以定向凝固的形式进行推进，忽略固液相变过程中潜热对凝固微观组织形成的影响；

此外，在构建模型的过程中，引入一个相场参量，相场参量的变化代表了固液界面的移动过程；并且对随温度和溶质分数不同发生非线性变化的参数进行简化。

所述步骤二中，忽略固液相变潜热的影响，定义温度场控制方程：

T(Z，t)＝T₀+G(Z-V_pt)

其中，T(Z，t)为温度场分布情况，Z是平行于枝晶生长方向的坐标，t是凝固时间，T₀＝T(Z₀，0)是参考温度，G是温度梯度，V_p是界面推进速度；

枝晶生长偏向角是与时间相关的函数：

α＝f(t)

其中，α是枝晶生长偏向角，f(t)是偏向角α关于时间t的表达式。

所述枝晶生长偏向角具体为：