相场法凝固组织模拟的研究进展.docxVIP

相场法凝固组织模拟的研究进展于艳梅1,吕衣礼1,张振忠1,杨根仓1,Akarma2,CBeckermann3(11西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;21东北大学物理系复合系统多学科研究中心,波斯顿,马萨诸塞02115,美国;31衣阿华大学机械工程系,衣阿华市,衣阿华52242,美国)摘要:阐述了相场法是一种用于模拟凝固微观组织的有效方法,是目前国内外的研究热点;论述了相场法模拟凝固微观组织的原理和国内外的研究现状,并指出进一步研究的方向。关键词:相场法;凝固微观组织;数值模拟中图分类号:TG21239文献标识码:A文章编号:100124977(2000)0920507205Progressinnumericalsimulationofsolidificationmicrostructureusingphase2fieldmethodYUYanmei1,LüYili1,ZHANGZhenzhou1,YANGGencang1,AKarma2,CBeckermann3(1.Statekeylaboratoryofsolidificationprocessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072;2.DepartmentofPhysicsandCenterforInterdisciplinaryResearchonComplexSystems,NortheasternUniversity,Boston,Massachusetts02115,USA;3.DepartmentofMechanicalEngineering,TheUniversityofIowa.Iowacity,IA52242,USA)Abstract:Nowthenumericalsimulationofsolidificationmicrostructureisamostinterestedresearchfieldandphase-fieldmethodisaneffectivetoolofsimulatingsolidificationmicrostructure.Thepaperintro2ducedtheprincipleofnumericalsimulationusingphase-fieldmethod,reviewedthepresentdevelopmentconditioninthisareaathomeandabroad,andpointedoutthedevelopmentdirectionsinthefuture.Keywords:phase2fieldmethod;solidificationmicrostructure;numericalsimulation凝固微观组织的数值模拟是一个较新的研究领域。通过计算机模拟来预测铸件微观组织的形成,不仅有利于深入理解凝固组织形成机制,而且有助于预测铸件的物理性能,进而达到控制铸件质量的目的。目前,凝固过程微观组织数值模拟的方法主要有:确定性方法(DeterminsticMethod)、随机方法(StochasticMethod)及相场法(Phase2fieldMethod)。确定性方法以凝固动力学为基础,符合晶粒生长物理背景。但由于它不能处理晶体生长过程中的一些随机过程,所以无法再现凝固时枝晶的生长过程及预测枝晶的具体形貌。随机方法考虑了晶粒生长过程中的随机过程,采用概率理论研究晶粒的形核和长大,适用于柱状晶组织的形成及柱状晶与等轴晶相互转变的模拟。但该方法只能模拟枝晶的近似形状,而不能模拟复杂枝晶的形貌〔1〕〔2〕。相场法通过引入相场变量Φ(Φ=1时表示固相;Φ=-1或0时,表示液相)、考虑有序化势与热力学驱动力的综合作用来建立相场方程,其解可描述金属系统中固液界面的形态和界面的移动,从而避免了跟踪复杂固液界面的困难。此外,相场法通过相场与温度场、溶质场、流场及其它外部场的耦合,在铸件充型和凝固过程中,有效地将微观与宏观尺度相结合。由于上述优点,使用相场法能直接模拟材料在固相和液相中的溶质偏析、分枝的形成、熟化和重熔等复杂的凝固过程,并能定量地研究固液界面曲率效应、动力学效应、扰动、各向异性对凝固微观组织形成的影响。相场法自从问世以来,在国外很受重视并取得重要发展。但是,国内对这一领域的研究却刚刚起步。为了推动国内在该领域的研究与发展,特撰文阐述相场法模拟凝固组织的基本原理,介绍国外在该领域的研究现状,并指出进一步研究的方向。1相场法模拟凝固组织的原理相场法与处理固-液相变的其它方法的主要不同之处是引入了一个新的变量Φ(r,t),即相场变基金项目:国家自然科学基金资助项目。收稿日期:20002