[发明专利]一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化的模拟方法，具体步骤如下：首先对焊接熔池固条件进行简化，然后然后建立枝晶的形核与生长模型，最后编写计算机程序，输入合金热物性参数以及各种焊接工艺参数，进行计算即可得到模拟结果。本发明能够模拟瞬态条件下焊接温度场的变化及熔池凝固过程中枝晶的生长形貌、溶质浓度分布，从而对实际工程应用起到指导作用。

技术领域

本发明属于金属凝固过程中微观组织演变数值模拟领域，具体涉及一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法。

背景技术

焊接作为一种应用广泛的加工方法，以其鲜明的特点区别于其他加工方法，其中最显著的特征就是在高度动态的焊接瞬态温度场作用下发生的各种复杂的物理及化学变化，这些变化决定着凝固组织的类型，晶粒大小等，最终对加工的质量起决定性影响。

在微观组织的研究领域，传统方法是通过大量的实验最终达到对复杂焊接过程定量和定性的认识，往往费时费力，而且焊接过程是一个高度动态变化的过程，仅仅通过实验方法也难以对整个焊接过程做出精确的剖析。随着计算机技术的飞速发展和相关热力学、凝固理论的不断完善，数值模拟技术逐渐显示出实时、动态等实验不可比拟的优势。

目前在微观组织模拟领域采用最多的方法是相场法和元胞自动机法，两种方法都能在耦合多物理场的前提下，对微观组织演变进行计算，且有很多成功的应用。但相场法最大的缺点就是计算量大，计算效率低，计算区域小，只能模拟为数不多的几个晶粒，这极大的限制了它的发展和应用。与之相比，元胞自动机法物理基础明确，具有很好的灵活性，且表现复杂实际情况的能力，包括各种形状和尺寸的晶粒以及实际晶粒生长的典型趋势，计算速度比其他方法快，计算面积大。

所以建立一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法，解决了现有技术中存在的微观组织演变计算量大，计算效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于元胞自动机法的焊接熔池微观组织演化模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化元胞自动机法的焊接熔池凝固条件；

步骤2、基于传热理论，构建焊接过程中的瞬态宏观温度场模型；

步骤3、基于插值原理，将宏观焊接温度场转变为微观组织演变所需的微观温度场的宏微观耦合模型；

步骤4、在得到微观温度场的前提下，构建基于晶粒形核与生长建立瞬态条件下枝晶的形核与生长模型；

步骤5、计算及其结果的可视化。

本发明的特点还在于：

步骤1中简化元胞自动机法的焊接熔池凝固条件包括：

简化条件1、整个凝固过程中元胞分为液相、固相和界面三种状态；

简化条件2、模型中忽略动力学过冷；

简化条件3、本模型中固/液界面始终处于平衡状态；

简化条件4、元胞领域关系采用V.Neumann型邻域。

步骤2具体按照以下步骤实施：

将模拟区域划分为大小相等的正方体元胞，温度场在时间及空间上的分布可以表示为：

T＝T(x,y,z,t)

非线性瞬态热传导问题的控制方程为：

式中：ρ为材料密度；c为材料比热容；T为温度场分布函数；λ为导热系数；为内热源强度；t为传热时间；