基于CA的焊接接头微观组织演化仿真方法研究与系统实现

摘要

利用计算机仿真技术研究微观晶粒形貌的演化规律是现代焊接技术发展的重要方向，也是计算机技术应用的一个重要分支。对焊接熔池内枝晶生长的规律仿真模拟是虚拟焊接技术的重点与难点问题，特别是三维仿真技术更是焊接接头微观组织演变模拟工作中长期以来难以解决的重要课题。本文重点研究完成以下几个方面工作：
　　1.根据枝晶形核理论及枝晶生长理论建立基于元胞自动机（CA）的枝晶生长模拟模型，研究实现了枝晶生长过程中涉及的过冷度、溶质浓度、枝晶尖端生长速度、曲率、固相分数的仿真方法。
　　2.实现基于有限差分算法的温度场数值计算，完成二维及三维焊接温度场进行了模拟，并讨论了距离熔池中心处不同位置，焊接温度场分布的差异性。
　　3.基于中智学(Neutrosophy)和中智集合理论(Neutrosophic Set)，结合元胞自动机模型的特点及枝晶凝固的特有属性，构建了基于中智系统-元胞自动机(NS-CA)的枝晶生长模拟模型，提出了枝晶生长期间固态、液态、生长态三态之间的状态转变规则。讨论了不同温度模型下等轴晶、柱状晶生长过程的枝晶形态的演变情况，研究了温度场对枝晶形态的产生影响的机理。此外，通过对枝晶溶质浓度场分析，探讨在枝晶生长过程中溶质浓度场对枝晶间竞争生长、形态分布的影响。
　　4.本文提出了三维NS-CA枝晶生长模拟，对熔池内三维等轴晶生长生长过程进行模拟，研究了不同截面等轴晶形态分布情况。
　　5.本文开发了焊接接头微观结构演变仿真系统，取得与实际焊接实验相似度高的微观组织图形，基本实现了对焊接接头微观组织演变过程的仿真模拟。

目录

基于CA的焊接接头微观组织演化仿真方法研究与系统实现

RESEARCH OF CA-BASED WELDED JOINT’S MICROSTRUCTURE EVOLUTION SIMULATION METHOD AND SYSTEM IMPLEMENTATION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 枝晶生长理论

2.1 枝晶生长的基本理论

2.1.1 枝晶形核

2.1.2 晶体长大

2.1.3 焊接条件对晶体形态的影响

2.2 形核模拟

2.3 枝晶生长模拟

2.3.1 过冷度的计算

2.3.2 溶质再分配

2.3.3 枝晶尖端生长速度

2.3.4 时间步选取

2.3.5 固相分数计算

2.3.6 曲率计算

2.4 本章小结

第3章 熔池温度场模型

3.1 热源模型选择

3.2 FD温度场模型

3.3 焊接温度场模拟

3.4 本章小结

第4章 基于NS-CA的枝晶生长模型

4.1 中智学与中智集合论

4.1.1 中智集合定义

4.1.2 中智集合运算

4.2 基于中智集合的NS-CA枝晶生长模型

4.3 枝晶生长模拟及结果分析

4.3.1 实验材料及实验参数

4.3.2 等轴晶生长模拟

4.3.3 等轴晶浓度场分析

4.3.4 柱状晶生长模拟

4.3.5 柱状晶浓度场分析

4.4三维枝晶生长模拟

4.4.1 三维NS-CA枝晶生长模型

4.4.2 三维枝晶生长模拟

4.4 本章小结

第5章 焊接接头微观组织演变仿真系统

5.1 系统框架设计

5.2 系统功能分析

5.3 系统实现

5.3.1 焊接热影响区正常晶粒生长模拟

5.3.2 焊接温度场模拟

5.3.3 焊接熔池中心等轴晶生长模拟

5.3.4 焊接熔池底部柱状晶生长模拟

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢