[发明专利]一种铸件晶粒组织数值预测的方法

摘要

一种铸件晶粒组织数值预测的方法，涉及一种铸件晶粒组织的预测方法。为了解决目前晶粒组织数值预测中计算时间长、计算量大的问题，本发明首先求解枝晶生长动力学KGT模型，获得枝晶尖端半径—枝晶尖端生长速度变化曲线，并对铸造系统进行宏观尺度网格剖分；针对计算网格(i,j)chan≠0,只计算能量守恒方程，获得温度场分布；针对计算网格(i,j)chan＝0,计算动量守恒方程，获得该计算网格中的金属液流动速度；然后判断计算网格(i,j)chan＝0是否处于凝固前沿，如果是，计算该网格所对应的凝固前沿温度梯度和凝固前沿移动速度；直到凝固结束，输出铸件内晶粒生长形貌标识grain的分布。本发明适用于铸件晶粒组织数值预测。

主权项

一种铸件晶粒组织数值预测的方法，其特征在于其包括：步骤一、求解枝晶生长动力学KGT模型，获得枝晶尖端半径——枝晶尖端生长速度变化曲线；KGT模型为非线性模型，采用迭代算法进行求解，具体过程如下：步骤一(一)、设定熔体过冷度的变化范围，从0℃增加至10℃，每次增加0.1℃，熔体过冷度变化100次，针对第ti次计算，熔体过冷度定义为ΔTall[ti]，1≤ti≤100；步骤一(二)、当熔体过冷度为ΔTall[ti]时，设定迭代计算总次数为NI；某一次迭代计算设定为ni，且1≤ni≤NI；当进行第ni次迭代计算时，KGT模型中方程迭代求解次序为：(1)(2)(3)(4)(5)由等式求得(6)(7)ni＝ni+1；(8)如果FS＜10‑5则迭代计算结果收敛，运算停止，进入步骤“(9)”；如果FS≥10‑5则迭代计算结果不收敛，计算继续，重复步骤(1)至(8)；(9)存储Rtip[ti]、Vtip[ti]和ΔTall[ti]；其中：ΔTall为熔体过冷度，Ttip为枝晶尖端温度，ΔTc为枝晶尖端成分过冷，为枝晶尖端曲率过冷，Ωc为溶质过饱和度，k为合金平衡分配系数，m1为合金液相线斜率，Co为合金初始成分，Tm为熔点，为枝晶尖端液相成分，Pc为枝晶生长贝克利数，D1为合金液中溶质扩散系数，Γ为吉布斯汤姆森系数，σ*为稳定常数，和均为枝晶尖端半径，为第ni‑1次迭代计算所得结果，为第ni次迭代计算所得结果；和为枝晶尖端生长速度，为第ni‑1次迭代计算所得结果，为第ni次迭代计算所得结果；Rtip[ti]为迭代计算收敛时所得枝晶尖端半径,Vtip[ti]为迭代计算收敛时所得枝晶尖端生长速度；FS为收敛标准因子；当ni＝1时,步骤一(三)、ti＝ti+1，ΔTall[ti]＝ΔTall[ti‑1]+0.1℃，ΔTall[0]＝0℃，重复步骤一(二)，获得不同ΔTall[ti]所对应的Rtip[ti]和Vtip[ti]值，直至ti＝100；构建枝晶尖端半径Rtip[ti]——枝晶尖端生长速度Vtip[ti]变化曲线；步骤二、对X米×Y米的铸造系统进行宏观尺度网格剖分，X方向和Y方向采用相同的网格剖分步长，即Δx米＝Δy米；计算网格的标号为(i,j)chan,其中i和j均为整数，i的取值范围是1～M,j的取值范围是1～N,下角标chan＝2表示铸型网格，下角标chan＝0表示铸件网格，下角标chan＝4、5、6、7和8分别表示内冷铁网格、外冷铁网格、冒口套网格、保温材料网格和绝热材料网格；步骤三、针对所有下角标chan≠0的计算网格(i,j)chan≠0,只计算能量守恒方程，获得温度场分布；[H]＝cpTρ∂[H]∂t=λ▿·(▿T)]]>其中：[H]为混合热焓，cp为比热，ρ为密度，λ为导热系数，T为温度，t为时间；步骤四、针对所有下角标chan＝0的计算网格(i,j)chan＝0,计算动量守恒方程，获得该计算网格中的金属液流动速度；∂(flUl)∂t+▿·(flUlUl)=-1ρl▿P+1ρl▿·(μl▿(flUl))+flg→[βT(T-Tref)+βC(Cl-Cref)]-fl2μlρlKperUl]]>Kper=fl3(1-fl)2SDAS2180]]>其中：U1为液体流动速度且0s时的值为0m/s，ρ1为液相密度，f1为液相分数，P为压强，μ1为液体粘度，βT为温度膨胀系数，βC为成分膨胀系数，C1为平均液相成分，Tref为参考温度等于液相线温度T1，Cref为参考成分等于合金初始成分Co，为重力加速度，Kper为渗透率，SDAS为二次枝晶臂间距；步骤五、针对所有下角标chan＝0的计算网格(i,j)chan＝0,计算能量和成分守恒方程，以及固相分数方程；判断计算网格(i,j)chan＝0是否处于凝固前沿，如果是，则计算该网格所对应的凝固前沿温度梯度和凝固前沿移动速度；步骤六、重复步骤三、步骤四和步骤五，直到凝固结束,即所有chan＝0网格所对应的fs＝1，输出铸件内晶粒生长形貌标识grain的分布。