[发明专利]基于元胞自动机计算连铸坯凝固中微观枝晶生长的方法

说明书

本发明提供一种基于元胞自动机计算连铸坯凝固中微观枝晶生长的方法，涉及微观枝晶生长过程模拟技术领域。该方法在元胞自动机中的八胞捕获模型基础上进行改进，针对八胞捕获模型中出现的问题状况，将被捕获的邻近单元胞的右侧邻胞设为界面胞进行计算，求得的固相率增长和剩余液相浓度赋值给被捕获的邻近单元胞，没有问题的情况直接通过枝晶生长模型进行计算；通过判断该被捕获的邻近单元胞的固相率是否大于等于零，来确定是否将该被捕获的邻近单元胞由界面胞转变为固相胞。本发明的方法对八胞捕获模型的捕获方式进行改进，使其计算过程更易收敛，计算效率更高，成功率更高，择优方向生长的等轴晶与设定的择优角度基本吻合。

技术领域

本发明涉及微观枝晶生长过程模拟技术领域，尤其涉及一种基于元胞自动机计算连铸坯凝固中微观枝晶生长的方法。

背景技术

连铸坯以微观枝晶生长的方式进行凝固，而枝晶演变过程决定连铸坯凝固组织的性能。传统的低倍腐蚀技术检测连铸坯枝晶形貌的方法只能评估凝固结束时的组织性能，无法对生长中的枝晶进行评测，不仅费时费力，也不能改善连铸坯的性能。利用计算机仿真技术建立微观枝晶生长模型，实时监测枝晶的生长规律，调节不同工艺参数对枝晶形貌的影响，从而提高连铸坯的性能。

在微观枝晶模拟领域，由于元胞自动机法对形核过程中的结晶和生长动力学具有明确的物理意义，计算速度快，模拟结果较准确等优点而被广泛应用。元胞自动机法是Rappaz和Gandin等人通过对前人工作的总结，首次将元胞自动机法应用于合金凝固组织的模拟中。但他们的方法也存在着明显的缺陷，即无法解释微观枝晶的生长过程，只能模拟介观尺度的晶粒长大行为。为此，后人对该法不断进行改进，申请号为201410289404.7的发明专利，公开了一种将枝晶网格的奇数和偶数行错位分布模拟计算镁合金枝晶组织的方法；申请号为201610184252.3的发明专利，公开了一种基于元胞自动机的新型邻居捕获方法，尤其针对焊接熔池凝固过程或热影响区固态相变过程中不同晶向晶粒生长的组织模拟。但上述方法的计算模型求解繁琐，计算量大。而东南大学朱鸣芳等人在《枝晶生长的数值模拟》一文中提出的改进元胞自动机模型求解简单且可以模拟不同择优取向的枝晶生长而被广泛应用。此模型在考虑溶质再分配和曲率对枝晶生长过程的影响上对控制方程采用有限差分法计算出熔体中固相和液相的浓度场，同时该模型还可以计算出柱状晶向等轴晶的转变过程。但是该元胞自动机法的八胞捕获模型，在模型计算过程中单元胞的固相率及液相溶质浓度容易出现非物理结果，而导致随后的计算结果不收敛，且在计算不同择优生长角度的等轴晶生长时，等轴晶的生长角度与设定的择优生长角存在较大偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于元胞自动机计算连铸坯凝固中微观枝晶生长的方法，对八胞捕获模型的捕获方式进行改进，使其计算过程更易收敛，计算效率更高，成功率更高，择优方向生长的等轴晶与设定的择优角度基本吻合。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于元胞自动机计算连铸坯凝固中微观枝晶生长的方法，包括以下步骤：

步骤1：物理性质参数的获取，从现场连铸车间及枝晶生长相关文献获取计算所需的热力学参数、溶质扩散参数和形核参数，其中热力学参数包括热过冷度、液相线斜率，溶质扩散参数包括气体常数、溶质平衡分配系数、固相溶质扩散系数、液相溶质扩散系数，形核参数包括平均界面动力学系数、吉布斯-汤姆森系数、动力学各向异性强度；

步骤2：将固定的二维计算区域均匀划分为正方形网格，每个正方形网格代表一个单元胞；

步骤3：初始化单元胞，为每个单元胞的状态参数、固相率、液相溶质浓度和固相溶质浓度赋予初始值，并预设循环步数；其中单元胞的状态包括三个，即液相胞、界面胞和固相胞，分别对应三个状态参数值0、1和2；

步骤4：建立枝晶生长模型，即计算单元胞的固相率增长Δf_s及其剩余液相溶质浓度；