一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及数值模拟与机器学习领域，为一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法和系统，该方法包括进行铝合金铸件充型与凝固过程的温度场数值模拟，构建凝固特征数据集；采用CA模拟铝合金铸件随机多个位置的微观组织演变，构建BPNN的模拟数据库；搭建BPNN模型，训练并验证后获得工艺与晶粒尺寸的内在逻辑与模型，执行铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测任务。本发明专利技术可以快速、准确、低成本的预测铝合金铸件全域晶粒尺寸，对铝合金铸件组织与力学性能控制、优化铸造工艺参数具有重要意义。优化铸造工艺参数具有重要意义。优化铸造工艺参数具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法和系统


[0001]本专利技术涉及数值模拟与机器学习领域，具体涉及一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法和系统。

技术介绍

[0002]铸造铝合金由于浇铸性能好、比强度高、生产成本低等优点被广泛应用于汽车、轨道交通及航空航天等领域。产品复杂的结构和冷却系统的设计使铸件各部位凝固条件存在区别，导致力学性能具有明显的差异。传统实验方法通过对铸件各部位进行组织表征和性能测试，检测产品质量，从而确定使用性能，该方法需要大量材料、设备和能源，且研发周期较长。
[0003]晶粒尺寸对金属材料力学性能有决定性影响，依据Hall
‑
Petch公式和位错理论，细化的晶粒产生大量的晶界，成为位错运动的障碍，导致金属的塑性变形抗力增加。同时，晶粒数量增多分散金属的塑性变形，阻止裂纹的扩展，使金属的力学性能提高。设计铸造工艺时，若能获知或预测铸件各部位晶粒尺寸，依此评价铸件性能，可以实现铸造工艺的优化与控制。现有铸件全域性能预测是基于凝固时间或冷却速率等相关的半经验公式，但是，这种半经验公式无法反映组织演变过程中形核、生长动力学、溶质扩散等物理机制。元胞自动机法(Cellular Automaton,CA)结合随机性和确定性方法，物理背景明确，广泛应用于模拟铸件凝固过程的组织演变，指导实际生产和科学研究活动中的产品开发。鉴于当前计算机硬件、数值模型、计算方法的发展水平，目前最大二维计算域仅能达到几个毫米，对铸件全域凝固组织模拟尚无法实现。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术所存在的技术问题，本专利技术提供一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法和系统，通过构建BPNN模型，输入模拟数据库对BPNN模型进行训练，得到铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型；通过铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型对铝合金铸件全域晶粒尺寸进行预测计算，可以快速、准确、低成本的预测铸件全域晶粒尺寸，解决了CA模拟范围局限、无法对实际铸件应用的问题。
[0005]本专利技术的第一个目的在于提供一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算系统。
[0007]本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0008]一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法，所述方法包括：
[0009]S1、对铝合金铸件充型与凝固过程进行温度场模拟，获得充型与凝固期间铸件单元的温度数据；
[0010]S2、对铸件单元的温度数据进行数据预处理和特征值构建，获得不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集；
[0011]S3、分别建立晶粒形核模型、生长模型和溶质扩散模型，设计CA算法；
[0012]S4、将不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集输入CA算法，模拟铝合金铸件随机多个位置的微观组织演变，计算晶粒尺寸并构建模拟数据库；
[0013]S5、构建BPNN模型，输入模拟数据库对BPNN模型进行训练，得到铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型；
[0014]S6、通过铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型对铝合金铸件全域晶粒尺寸进行预测计算。
[0015]优选地，所述步骤S2包括：
[0016]预设铸件合金的液相线温度T
init
、共晶凝固温度T
eu
、铸件单元数量M，在液相线温度T
init
与共晶凝固温度T
eu
之间等间隔选取多个温度节点，多个温度节点标记为温度节点集；
[0017]分别对所有铸件单元采用温度节点T
p1
遍历不同时刻的模拟温度，若温度节点T
p1
位于相邻模拟温度之间，则依据温度对时间进行线性插值，得到铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻数据，遍历剩余的温度节点，计算得到铸件单元的不同温度节点的凝固时刻集。
[0018]优选地，所述步骤S5具体包括以下步骤：
[0019]构建BPNN模型，设置迭代计算停止条件，若连续多次误差缩减小于预设临界值或达到预设最大迭代次数，则终止计算；
[0020]将模拟数据库划分为训练集和验证集，采用K折交叉验证方式训练BPNN模型，得到凝固时刻与晶粒尺寸的内在映射关系模型。
[0021]本专利技术的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0022]一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算系统，包括：
[0023]温度场模拟模块，用于对铝合金铸件充型与凝固过程进行温度场模拟，获得充型与凝固期间铸件单元的温度数据；
[0024]特征值构建模块，用于对铸件单元的温度数据进行数据预处理和特征值构建，获得不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集；
[0025]CA算法模块，用于分别建立晶粒形核模型、生长模型和溶质扩散模型，设计CA(元胞自动机)算法；
[0026]模拟数据库模块，用于将不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集输入CA算法，模拟铝合金铸件随机多个位置的微观组织演变，计算晶粒尺寸并构建模拟数据库；
[0027]映射关系模型模块，用于构建BPNN模型，输入模拟数据库对BPNN模型进行训练，得到铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型；
[0028]预测计算模块，用于通过铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型对铝合金铸件全域晶粒尺寸进行预测计算。
[0029]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0030]1、本专利技术结合温度场计算、CA数值模拟和BPNN模型，得出铸件凝固条件与晶粒尺寸的内在映射关系模型，然后对铸件各部位凝固时刻集进行映射关系模型的应用，可以快速、准确、低成本的预测铸件全域晶粒尺寸，解决了CA模拟范围局限、无法对实际铸件应用的问题。
[0031]2、本专利技术组织预测是基于晶粒尺寸的CA模拟，可以反映合金成分、形核、生长动力
学、溶质扩散等对晶粒尺寸影响的物理本质，相比于传统的半经验公式具有更强的物理背景。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术实施例中的铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法流程图；
[0034]图2为本专利技术实施例中的铸件模拟温度场示意图；
[0035]图3为本专利技术实施例中的特征工程处理方法示意图；
[0036]图4为本专利技术实施例中的铸件部分位置模拟组织示意图；
[0037]图5为本专利技术实施例中的包含内在映射关系模型的神经网络示意图；
[0038]图6为本专利技术实施例中的基于神经网络计算的铸件全域晶粒尺寸示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝合金铸件全域晶粒尺寸的预测计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、对铝合金铸件充型与凝固过程进行温度场模拟，获得充型与凝固期间铸件单元的温度数据；S2、对铸件单元的温度数据进行数据预处理和特征值构建，获得不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集；S3、分别建立晶粒形核模型、生长模型和溶质扩散模型，设计CA算法；S4、将不同铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻集输入CA算法，模拟铝合金铸件随机多个位置的微观组织演变，计算晶粒尺寸并构建模拟数据库；S5、构建BPNN模型，输入模拟数据库对BPNN模型进行训练，得到铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型；S6、通过铸件凝固时刻集与晶粒尺寸的内在映射关系模型对铝合金铸件全域晶粒尺寸进行预测计算。2.根据权利要求1所述的预测计算方法，其特征在于，所述对铝合金铸件充型与凝固过程进行温度场模拟包括：模拟充型过程中流动和传热引起的温度变化、铸型单元和液态金属的传热、铸型单元间的传热及凝固过程的潜热处理；所述铸件单元的温度数据以二进制格式存储。3.根据权利要求1所述的预测计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括：预设铸件合金的液相线温度T
init
、共晶凝固温度T
eu
、铸件单元数量M，在液相线温度T
init
与共晶凝固温度T
eu
之间等间隔选取多个温度节点，多个温度节点标记为温度节点集；分别对所有铸件单元采用温度节点T
p1
遍历不同时刻的模拟温度，若温度节点T
p1
位于相邻模拟温度之间，则依据温度对时间进行线性插值，得到铸件单元对应于温度节点集的凝固时刻数据，遍历剩余的温度节点，计算得到铸件单元的不同温度节点的凝固时刻集。4.根据权利要求1所述的预测计算方法，其特征在于，所述晶粒形核模型，采用高斯连续模型，形核密度增量δn为过冷度的函数，δn的计算公式为：其中，N
max
是最大形核密度，ΔT
σ
是标准偏差过冷度，ΔT
N
是平均形核过冷度，ΔT是总过冷度；所述生长模型基于总过冷度同时结合晶粒的择优取向、动力学系数和正交网格的各向异性，计算晶粒的生长速度；所述溶质扩散模型的公式为：其中，Φ是合金的溶质成分集合，C是单元浓度，x、y分别是合金成分Si和Mg，D
ij
是成分y影响下x的扩散系数，Ψ是相的种类集合，z是特定相，和是固液界面处溶质x在液相和固相的浓度，f<...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海东，郝永志，沈旭，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：