[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于：该方法包括以下步骤：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步骤5：对液相胞进行捕获，具体捕获方法为：步骤5.1：基于八胞捕获模型，对一个固相胞周围的邻近单元胞进行捕获；在对邻近单元胞进行捕获的过程中，判断被捕获的邻近单元胞的上下左右四个邻胞的固相率是否均为零，若是，则停止计算该被捕获的邻近单元胞，执行步骤5.2；若否，则执行步骤6；步骤5.2：对八胞捕获模型按如下方法进行改进：步骤5.2.1：置该被捕获的邻近单元胞的右侧邻胞为界面胞，根据步骤4建立的枝晶生长模型，计算该界面胞的固相率增长和剩余液相溶质浓度；步骤5.2.2：将步骤5.2.1计算的固相率增长和剩余液相溶质浓度的结果赋予被捕获的邻近单元胞；步骤5.2.3：将被捕获的邻近单元胞的右侧邻胞的固相率增长、剩余液相溶质浓度及单元胞状态都恢复到计算前；步骤5.2.4：被捕获的邻近单元胞由于得到固相率增长和剩余液相溶质浓度，则该被捕获的邻近单元胞的计算完毕，执行步骤7；步骤6：根据步骤4建立的枝晶生长模型，计算被捕获的邻近单元胞的固相率增长Δf_s和剩余液相溶质浓度步骤7：被捕获的邻近单元胞计算完毕后，判断该被捕获的邻近单元胞的固相率是否大于等于零；若是，则将该被捕获的邻近单元胞由界面胞转变为固相胞，再执行步骤8；将单元胞由界面胞转变为固相胞后，根据步骤5、步骤6的捕获、生长方法对该新生成的固相胞周围的八个邻近单元胞进行新的捕获，将其邻近单元胞变为界面胞进行计算；每个固相胞的八胞捕获过程同时、单独进行，互不影响；若否，则直接执行步骤8；步骤8：计算液相和固相的溶质扩散；步骤9：判断循环步数是否达到预设步数，若是，则执行步骤10，若否，则返回步骤5，进行固相胞的下一邻近单元胞的捕获过程；步骤10：判断域内所有单元胞是否满足其固相率0≤Δf_s≤1，且剩余液相溶质浓度若是，则该循环过程收敛，将其数据提出并导入到Tecplot软件中进行后处理；若否，则检查热力学参数与初始化数据是否有误，修改完毕后返回步骤3重新计算。