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《武汉理工大学》 2003年
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材料不平衡凝聚非线性行为研究及数值模拟

吴旭敏  
【摘要】: 合金材料凝固组织形成过程的数值模拟受到人们的普遍关注,人们期望通过理论计算预报材料的组分、结构与性能。本文针对以往人们在微观研究中缺乏对金属液与型壁接触瞬间结晶行为的探讨,研究了包括金属液结晶初始阶段的温度场、浓度场,揭示了金属液在受到外界刺激瞬间的结晶行为,以及外界刺激的强弱对结晶行为的影响。创造性地提出:实际铸造过程中,金属液的结晶要经历激冷阶段和正常阶段,尤其是铸件边缘的金属液,外界强烈激冷刺激,直接影响到金属液结晶组织的最终形成。文章在试验装置的设计、凝聚过程非线性行为的研究、数据分析软件、凝固过程传热行为的研究、模拟显示方面进行了详细论述。 自行设计、制造测试装置,测试型壁边缘结晶初始阶段的T-t-(?)曲线。这套测试装置具备快速、多通道测试功能,通过使热电偶与铸件金属液保持温度一致,消除热电偶测试开始瞬间的滞后现象;利用高速采样系统,保证测试数据的完整;型腔模具上巧妙利用斜槽,保证多次试验金属液的确定量,使测试结果具有重复再现性。除本课题研究应用外,其原理可以运用于实际生产的快速监测,炉前检验等方面。 在非线性行为的研究中,通过分析试验数据,证实了初晶结晶前沿存在温度振荡现象和多重态现象。温度振荡现象的提出,解释了等温面上不同位置的波动现象,为结晶控制方程中的波动行为提供了理论依据。同样在研究中证实金属液结晶过程中存在合金凝固的多重态现象,这是我们通过改变外界刺激,得到目标中的组织结构实施方法的理论依据。在实施模拟过程中,结合了形核与生长过程的随机性与确定性,用一随机数字来判断形核位置,这正是系统混沌行为的体现。 自行编制数据分析软件,对试验所得的大量数据进行综合分析研究。分析软件不仅具有友好的人机对话界面,而且能够满足课题对于数据分析的特殊要求,软件可以进行包括直线、双曲线、幂函数、对数函数、指数1、指数2、根号函数、s曲线、二次多项式、三次多项式、四次多项式等11种曲线函数的拟合,并同时显示相关系数和方差值,以供对曲线的使用度进行筛选;软件实时显示拟合曲线,直观明了地判断拟合曲线与实测曲线的吻合程度;在拟合曲线段的选择上,可以通过鼠标拖动或输入位置坐标两种方式, 武汉理工大学博士学位论文 兼顾了粗略判断和精确选择两方面;软件在数据分析上除了单变量拟合,还 可以实施多变量的拟合,扩展了多项式的拟合范畴。 经过试验测试和数据分析,首次提出金属液整个结晶过程分成两个阶 段:I段是金属液内部在受到外部刺激后的一个紊乱重组过程,文章中也称 激冷阶段;11段是金属液在经过重组后,按正常冷却凝固的过程,文章中也 称正常结晶阶段。I段的初晶、共晶结晶都没有完成。这一结论得到了试验 的证实,并给出了激冷阶段固相率的计算式。创造性地提出“55”图。利用 “55”图分析铸件不同部位的最终结晶组织,得到了激冷组织的层状分布特 点:只在铸件最边缘部分,激冷组织特性会保留至凝固全部结束,而其它部 位激冷组织则在随后的正常结晶过程中或完全熔化,或成为晶体生长的晶核。 将控制理论引入材料结晶过程的温度场计算中,利用控制理论中的二阶 数学式,描述表面激冷区的卜尸关系。用动态响应和动态矩阵控制算法共同 描述等温线在时间方向的偏移,从而预测等温线,以此描述激冷作用对合金 材料表面凝聚过程的影响。文章给出合金的T一卜尸的函数表达式: !,n“, Lln(t) =(In(t)_o+A)” =(In(t)_o+A)”+In(Cx+D),x之x, 式中 In(t)_0=l一 e一和·x 了厂歹 sin(to,迈几几+arctan亚互… 芬 利用凝聚控制方程计算温度场,将传统计算方程中大量的物性参数,转 化为系统的固有频率。,、系统的相对阻尼比‘、惯性指数(A、B)和线性 段因子(C、D),这些参数可以通过我们的试验装置和数据分析系统一次得 到,大大简化了由于不同合金迥异的物性参数所带来的计算上的不便。 创造性地提出用“形”的概念,建立圆形、完全形和“T”字形三类枝 晶“形”的子集,全面描述初晶在截面上的各种形状,在满足完整模拟晶体 生长过程的条件下,减少了模拟过程对计算机存储量的要求;利用Visual Basic6.O语言编程,通过对初晶形成界面及各等温面的断面模拟,立体地显 示结晶过程的枝晶形貌。
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