铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展

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1、铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展柳百成，熊守美，许庆彦摘要：使用数值方法來提高计算效率，并对于扩展铝压铸工艺的凝固和充模的汁算规模进行了研究。也对于成型充填模拟的并行计算方法进行了研究，同时对于凝固模拟，隐式有限差分方法和瞬态面层的概念也进行了研究。另外，修改后的元胞自动机方法被用來模拟的微观结构形成的过程和铝合金的演变，其中包括的晶粒结构和树枝状微观结构。实验结果表明，文章中的模型合理的描述了组织形成的过程和演化。DOI:10.1007/sl1663-007-9073-y©TheMinerals,

2、Metals&MaterialsSocietyandASMInternational2007I.简介铝合金铸造起在汽车，航空航夭，屯子等行业重要的作用。虽然每年的铸造生产在中国是1988万吨，在世界在2004年的第一个位置，铝合金铸件所占比例仍然很低，比发达国家要低8T0%。由于制造业，尤其是汽车行业的快速发展，据预测，铝合金铸件将显著在未来儿年增加。建模和仿真将是一个非常重要的工具，以优化的铸造过程中，缩短前置吋间，以保证质量，并同吋能够提高铝合金铸件的力学性能。因为高压压铸是-•种主要的铝合金铸件近终形铸造技

3、术,在这篇文章中,通过使用并行计算技术,对模具填充的数值模拟和高压压铸过程的热传递进行了研究，特别是考虎到复杂的循环特性和计算效率的提高。此外，晶粒结构在铝合金铸件性能和机械性能起逼要的作用。许多的方式，包括确定性模型，相场法，元胞自动机（CA）的方法等，已经对晶粒结构的凝固过程进行了预测。在这篇文章中，修改后的CA方法对铝合金铸件凝固过程中晶粒演变的模拟提供了发展。II.应用并行计算技术的压铸工艺充型模拟通常，铸造工艺的圧力条件下，熔融金属流被视为粘性湍流和具有恒定特性的可圧缩流体。根据质量，动量，能量和湍流量

4、的守恒，在笛卡尔守恒方程的一般形式的坐标系可表示如下：[1]紳）煤如）这种求解算法（SOLA）被广泛应用于求解流体容积（VOF）方程來处理液体熔体的自由表面。用过VOF方法,一个F函数方程中加入，并且它也可以被表示为用F/Q作为变量©的一般形式。因为离散的流体控制方程的解决方案为是一个迭代过程，非常耗时，在H前的研究工作中一般采用并行计算技术,以加速计算，并扩人了计算规模。A.并行搜索算法通过分析模具填充计算过程的模拟，发现一些参数仅影响计算效率，得到同样的结果，不同的参数会导致计算速度不同。这些参数包括迭代的方

5、向，对于压力计算的松弛因子，所述权重因子在差分格式等等。根据这种现彖，提出了并行搜索算法（PSA）,这种算法的原理是优化在集群平台的计算参数，这可能通过以下步骤来实现：（1）选择从解决过程屮大大影响了运算速率的参数；（2）在不同的计算机节点屮调整一个平行的多功能节点集群系统的参数；（3）寻找最佳解决路径来获得模拟结果。该方法的示意图示于图1屮，其屮还包括一个四计算机节点系统。该矩形是在群集系统屮的计算机节点中，水平线代表同一时刻，而水平箭头表示计算机节点之间的通信。TimeNParallelsearchBAIRF

6、astestnodeCommunicationTimeN+l.VnmkkPiirallelsearch□FastestnodeTimeN+2ACommunication■图1—并行搜索算法的原理几个压铸部件的模具填充模拟，重点是计算效率模拟，对并行搜索算法的验证进行了测试。该部件包括一个简单的部分（平板和水模拟）和一些实用的，比如一个B5油滤清器托架铸件（Zn-AI系合金），一个倒车伺服活塞铸件（铝硅铜合金），和一个％动力蓄电池铸件（铝硅铜合金）。参数和结果列于表I。根据比较可以发现，并行搜索算法可以大大提高在中

7、小规模的计算效率。效率的提高并不是取决于计算机节点的数目或直链以及其他稳定的数学关系。而且由于计算参数的优化，可以对某些部件实现得到更希望的结果。表I.并行搜索算法充型模拟的参数和结果种类铸件网格（n）持续时间（h）网格数日（n）并行搜索算法时间效率(PCT)平板87721.3480.8933.6平板87721.34120.9032.8平板87721.34160.8139.6B5油滤清器托架8575828.77*162.9：90倒车伺服活塞59261—1655.47—%动力蓄电池46106—1630.25—*计算

8、时间高达57.17pct的填充率。一-由于速度慢最终结果不能获得（超过150H）A.区域分解并行算法现代并行计算技术在处理大型模拟问题很有效果，尤其是实际中复杂的压铸件。在这篇文章中，一个基于区域分解法的异步并行算法也就是施瓦茨混乱松弛算法，被用来实现在并行计算平台上的大规模计算压铸流体流场。将该运算域划分成一系列的子域，其将其分配给不同的处理器（子节点）。对于每个时间步