【技术实现步骤摘要】
金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法
本专利技术涉及金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，属于金属材料加工领域。
技术介绍
金属液的凝固产生于型腔，因为铸型相比于金属液温度低，可有效将金属液的热量传导出去，因而可促进金属液凝固。金属液在型腔中发生的凝固具有多方向散热特点，因此通常形成具有较大晶界取向差的柱状晶组织。具有较大晶界取向差的柱状晶组织会引起铸件力学性能的不均匀分布，在受到单向载荷时，某些与载荷垂直的晶界极易成为裂纹源。单向凝固技术可避免形成具有较大晶界取向差的柱状晶组织。其特点是型腔内没有多向散热，而是建立某一特定方向的温度梯度，高温金属液只沿着一个方向散热，使柱状晶粒之间具有相近的结晶取向，因此形成具有较小晶界取向差的柱状晶组织。具有较小晶界取向差的柱状晶组织没有横向晶界，纵向晶界之间基本相互平行，力学性能分布均匀，使其在经受单向载荷时晶界不容易被撕裂，这大大提高了铸件的抗热冲击性和抗蠕变性，从而延长了铸件的疲劳寿命。单向凝固技术目前已被广泛应用于飞机发动机叶片的制造过程。在单向凝...
【技术保护点】
1.一种金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，其特征在于包括：/n步骤一：对假定铸件单向凝固过程的计算域进行设定，在常规三维坐标系下选择所述计算域在各个坐标轴方向的剖分步长Δx
【技术特征摘要】
1.一种金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，其特征在于包括：
步骤一：对假定铸件单向凝固过程的计算域进行设定，在常规三维坐标系下选择所述计算域在各个坐标轴方向的剖分步长ΔxCA，根据剖分步长ΔxCA对计算域划分网格并确定网格标识；对每个网格基于所述网格标识赋予状态变量；
步骤二：由小到大依次选择不同大小的剖分步长ΔxCA，在设定的温度梯度和冷却速度下，结合状态变量计算金属液单向凝固过程中直至凝固结束时每个网格对应的三个欧拉角；将每个时间步长内具有相同欧拉角的网格确定为同一晶粒；基于每个剖分步长ΔxCA在所有时间步长内计算获得的网格欧拉角计算结果形成一个剖分步长确认文件grain.txt；
步骤三：对由不同剖分步长ΔxCA计算获得的剖分步长确认文件grain.txt文件进行分析，提取晶界夹角值；若不同剖分步长ΔxCA对应的晶界夹角差值的绝对值大于或等于5°,则对已选择剖分步长ΔxCA中的最大值进行调整，再返回步骤一，直至不同剖分步长ΔxCA对应的晶界夹角差值的绝对值小于5°，选择最大的剖分步长ΔxCA；
步骤四：针对实际铸件进行凝固过程的预测：基于最大的剖分步长ΔxCA划分网格，采用网格标识对每个网格赋予状态变量；再在设定的温度梯度和冷却速度下，计算金属液单向凝固过程中直至凝固结束时每个时间步长内每个网格对应的三个欧拉角，将每个时间步长内具有相同欧拉角的网格作为同一晶粒；实现实际铸件凝固过程的晶粒组织三维数值预测。
2.根据权利要求1所述的金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，其特征在于，
步骤一中，设定所述计算域尺寸为X米×Y米×Z米；计算域在X轴、Y轴、Z轴方向的最小值分别为Xmin＝0、Ymin＝0、Zmin＝0，最大值分别为Xmax、Ymax、Zmax；设定-Z轴为重力方向；
设定网格标识为(j,i,k)，其中j、i和k均为整数；
其中j表示X轴方向上网格的标号，j取值范围为0～(MTcell-1)：
i表示Y轴方向上网格的标号，i取值范围为0～(LTcell-1)：
k表示Z轴方向上网格的标号，k取值范围为0～(NTcell-1)：
且MTcell>100，LTcell＝5；
对每个网格基于所述网格标识赋予状态变量包括：
温度tem(j,i,k)，状态state(j,i,k)，固相分数fs(j,i,k)，一个时间步长内固相分数改变量dfs(j,i,k)，生长速度vtip(j,i,k)，界面曲率kcurve(j,i,k)，界面各向异性对应的X轴方向取向角gangx(j,i,k)，界面各向异性对应的Y轴方向取向角gangy(j,i,k)，界面各向异性对应的Z轴方向取向角gangz(j,i,k)，三个欧拉角ang1(j,i,k)，ang(j,i,k)，ang2(j,i,k)；
在凝固过程的初始时刻，金属液处于液态，设定状态state(j,i,k)＝0，对应固相分数fs(j,i,k)＝0；金属液处于生长态时，设定state(j,i,k)＝1，0<fs(j,i,k)<1；金属液处于凝固态时，金属液处于凝固态时，设定state(j,i,k)＝2，fs(j,i,k)＝1。
3.根据权利要求2所述的金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，其特征在于，
步骤二中结合状态变量计算金属液单向凝固过程中直至凝固结束时每个网格对应的三个欧拉角ang1(j,i,k)，ang(j,i,k)，ang2(j,i,k)的方法包括：
步骤二一：计算每个网格(j,i,k)的温度tem(j,i,k)，设定温度只在Z轴方向发生变化：
式中Tl为液相线温度，G为温度梯度，为冷却速度，time为凝固时间；
dz为网格(j,i,k)在Z轴方向距离Z＝0平面的距离：
dz＝k×ΔxCA；
步骤二二：选定两个网格计算对应的温度，并选取对应的欧拉角：
选择两个网格，设定每个网格对应一个形核位置，记为形核网格(jnu1,inu1,knu1)和(jnu2,inu2,knu2)；
使jnu1＝MTcell/4，取整数，inu1＝LTcell/2，取整数，knu1＝0；
使jnu2＝3×MTcell/4，取整数，inu2＝LTcell/2，取整数，knu2＝0；
根据温度tem(j,i,k)的计算公式计算形核网格(jnu1,inu1,knu1)和(jnu2,inu2,knu2)的当前温度；
在所述当前温度小于液相线温度Tl时，使相应形核网格的状态state从0变为1；同时，对每个形核网格对应的欧拉角进行随机选取：欧拉角ang1为[0,360°]之间的一个随机值，欧拉角ang为[0,180°]之间的一个随机值，欧拉角ang2为[0,360°]之间一随机值。
4.根据权利要求3所述的金属液单向凝固过程中晶粒组织三维数值预测方法，其特征在于，步骤二中，确定同一晶粒的过程包括：
步骤二三：对state＝1的形核网格进行界面曲率、界面各向异性对应的取向角、生长速度、固相分数和固相分数改变量的计算；
1)针对每个形核网格采用三个欧拉角构建旋转矩阵A：
其中，
pa1＝cos(ang1)cos(ang2)-sin(ang1)sin(ang2)cos(ang)，
pb1＝sin(ang1)cos(ang2)+cos(ang1)sin(ang2)cos(ang)，
pc1＝sin(ang2)sin(ang)，
pa2＝-cos(ang1)sin(ang2)-sin(ang1)cos(ang2)cos(ang)，
pb2＝-sin(ang1)sin(ang2)+cos(ang1)cos(ang2)cos(ang)，
pc2＝cos(ang2)sin(ang)，
pa3＝sin(ang1)sin(ang)，
pb3＝-cos(ang1)sin(ang)，
pc3＝cos(ang)；
2)同时计算常规三维坐标系下每个形核网格的的固相分数梯度fsx、fsy和fsz：
3)根据旋转矩阵A和三维坐标系下形核网格的的固相分数梯度计算旋转坐标系下的固相分数梯度(fsx)′、(fsy)′和(fsz)′：
(fsx)'＝pa1·fsx+pa2·fsy+pa3·fsz，
(fsy)'＝pb1·fsx+pb2·fsy+pb3·fsz，
(fsz)'＝pc1·fsx+pc2·fsy+pc3·fsz；
4)再计算旋转坐标系下的界面各向异性对应的X轴方向取向角gangx、Y轴方向取向角gangy和Z轴方向取向角gangz：
对于gangx：
若[(fsx)']2+[(fsz)']2＝0，则
若(fsx)'＝0且(fsz)'＞0，则
若(fsx)'＝0且(fsz)'＜0，则
若(fsz)'＝0且(fsx)'＞0，则gangx＝0；
若(fsz)'＝0且(fsx)'＜0，则gangx＝π；
若(fsz)'≠0且(fsx)'≠0，则
对于gangy：
若[(fsy)']2+[(fsz)']2＝0，则
若(fsy)'＝0且(fsz)'＞0，则
若(fsy)'＝0且(fsz)'＜0，则
若(fsz)'＝0且(fsy)'＞0，则gangy＝0；
若(fsz)'＝0且(fsy)'＜0，则gangy＝π；
若(fsz)'≠0且(fsx)'≠0，则
对于gangz：
若[(fsx)']2+[(fsy)']2＝0，则
若(fsx)'＝0且(fsy)'＞0，则
若(fsx)'＝0且(fsy)'＜0，则
若(fsy)'＝0且(fsx)'＞0，则gangz＝0；
若(fsy)'＝0且(fsx)'＜0，则gangz＝π；
若(fsy)'≠0且(fsx)'≠0，则
5)再计算考虑了界面各向异性影响的生长速度：
...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东戎，浦震鹏，赵思聪，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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