相场法

摘要： 本文基于连续相场模型,对内磁能作用下Fe-Cu-Mn合金中富Cu相析出行为进行了研究,得到不同温度、不同Mn,Cu含量条件下的内磁能对富Cu相的平均颗粒半径、体积分数、吉布斯自由能的影响.模拟结果表明,Mn含量越低,居里温度越高,内磁能对自由能的贡献越大,且内磁能的贡献随温度升高而减小;内磁能降低了相结构转变势垒,促进了相结构转变.沉淀相体积分数随Cu含量增加而增加,通过对比有无内磁能对沉淀相体积分数的影响,内磁能作用导致沉淀相拥有更大的体积分数.因此在内磁能作用下,富Cu相具有较大的平均粒径、体积分数和较小的矫顽力,同时预测了合金硬度的变化趋势.

摘要： 目的:探究外加静电场对食品冷冻过程中冰晶生长的影响规律。方法:基于相场法中经典的Kobayashi模型,将电场自由能密度引入相场模型,采用有限差分法五点差分格式离散偏微分方程,编程实现了冰晶生长的模拟及可视化。结果:模拟结果和其他模拟结果以及试验结果呈现的冰晶组织特征一致,冰晶形态具有典型的六重对称性;随着电场强度的增加,冰晶的主枝生长速率和成核生长都受到了抑制。结论:在食物的速冻保鲜过程中,外加一定的电场强度,会减少大冰晶的生成,最大限度地保留食品的品质和风味。

摘要： 大冰晶对冻结加工过程中食品细胞有一定的破坏作用,为减少肉类等冷冻食品的风味丧失和品质降低,迫切需要研究冰晶的形成机理及过程。应用相场法对冰晶的微观生长过程进行研究,将有助于深入揭示结冰微观机理及过程,从而指导食品的冻结工艺,改善冷冻食品品质。简述相场法的原理及优势,并阐述了相场法在食品冷冻冷藏领域中的研究现状及侧重点,为今后相场法在食品冷冻冷藏领域的发展提供一定的帮助。

摘要： 为研究第二相颗粒体积分数对于AZ31镁合金微观组织的影响,采用相场法模拟研究了350°C退火温度下AZ31镁合金微观组织的变化。研究结果表明:第二相颗粒的引入会使得材料微观组织产生相应程度的细晶强化,并且这种强化现象会随着第二相颗粒体积分数的升高而逐渐明显直至趋于稳定;第二相颗粒尺寸大小r为2μm时,颗粒体积分数对于晶界的钉扎作用存在极小、极大临界值,分别为f_(min) 0.5%、f_(max) 40%。且体积分数临界值与其尺寸大小呈正相关。并将模拟结果与实验结果进行对照,两者相吻合。

摘要： 原位反应法制备金属基复合材料具有增强体与基体间无杂质、无污染、颗粒分布均匀等优点,已成为制备金属基复合材料的一种重要方法,揭示其动力学机制及规律具有重要的理论及工业价值.然而,原位反应过程具有反应时间短、随机发生、温度高等特点,目前采用原位实验观测其反应过程仍存在较大困难.本文采用相场法模拟金属熔体内的原位反应过程,首先建立了能够描述双束金属熔体界面反应形核的相场模型,并采用该模型模拟了不同参数下相界反应形核过程.结果表明,形核率随着曲率半径及噪声强度的增大而增大,小曲率半径及强噪声条件下新相颗粒尺寸分布更加均匀,形核率随着过冷度的增大而先增大后减小.

摘要： 3D打印混凝土永久支护模板可以高效实现异形支护结构的个性化打印,其自动化程度高,优势明显。基于相场法,计算了3D打印混凝土支护模板的承载特性,分析了钢支撑对其承载特性的影响规律。研究发现:钢支撑加固位置应于结构二等分点附近时结构承载力较大,同时靠近外荷载合力点。钢支撑加固可以将结构承载力提升近5倍。双支撑相较于单支撑,结构承载力提升近3倍。三支撑加固对结构承载力提升有限。

摘要： 介绍了相场法模拟准脆性断裂问题的基本原理,描述了幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则,提出了一种模拟准脆性断裂问题的相场法耦合能量退化法则,该法则通过权重系数将幂函数能量退化法则与Borden能量退化法则进行耦合,可较为全面地反映材料的断裂行为。编制了二维相场法计算程序,以单边缺口正方形板为例,验证了程序的准确性。研究了耦合能量退化法则对单边缺口方形板拉伸断裂行为的影响,耦合能量退化法则参数s与m越大,拉伸荷载峰值越低;增加参数w,拉伸荷载峰值会提高。模拟了直裂缝半圆弯曲岩石试样断裂过程,分析了不同耦合能量退化法则参数下岩石试样的裂缝扩展过程,耦合能量退化法则参数m对荷载峰值影响较小,荷载峰值与参数s负相关,与参数w正相关。耦合能量退化法则可以较好地反映材料的准脆性断裂与脆性断裂行为。

摘要： 通过引入应变能拉压分解,对相场氢脆断裂模型进行了改进,并给出了改进模型的数值求解公式,推导了浓度场和位移场耦合项刚度矩阵。编写Matlab相场氢脆断裂计算程序,分别模拟了Ⅰ型和Ⅱ型2种不同模式的氢脆断裂过程。数值计算表明:在断裂过程中氢离子会向裂尖处扩散集中,且氢浓度越高,临界破坏载荷越小;对比已有模型计算结果,改进模型能精确计算Ⅰ型断裂问题的临界破坏载荷,准确捕捉脆弹性材料的瞬断过程,且能更有效地模拟Ⅱ型的氢脆断裂过程。

摘要： 基于四次双阱势函数的体自由能密度和退化的迁移率,建立了一个相场模型来模拟应力场中表面扩散诱发的晶内微孔洞的演化,推导了相应的控制方程。使用自适应网格的有限单元法计算了不同应力Λ,不同形态比β和不同线宽hˉ下椭圆形微孔洞的演化,并验证了程序的可靠性。结果表明,在等轴双向拉应力作用下,晶内微孔洞存在临界应力值Λc,临界形态比βc和临界线宽h_(c)。当Λ≥Λ_(c)、β≥β_(c)或h≤h_(c)时,椭圆形微孔洞逐渐形成裂纹尖端而失稳。当Λh_(c)时,椭圆形微孔洞逐渐呈现圆柱化并保持稳定。失稳时间随着应力或形态比的增大而减小,随着线宽的增大而增大。此外,对于包含两个相距不远的椭圆形微孔洞的内连导线,其应力促进孔洞的合并。

摘要： 基于相场法理论建立了多孔弹性地层中压裂裂缝延伸模型,在该模型中,流体流动遵循达西定律,岩石的渗透率各向异性,且是岩石最大主应变的函数。通过3个不同时间步长算例验证了模型的收敛性,并基于建立的模型,研究了原地应力差、相交角、注入速率和压裂液黏度对水力裂缝与天然裂缝相交后延伸轨迹的影响。研究表明:①水力裂缝只能开启天然裂缝的一翼;②相交角和原地应力差越小,水力裂缝越容易开启天然裂缝;③提高注入速率有利于完全开启天然裂缝,因此,压裂施工过程中,在井口装备和地下管柱强度允许的条件下应尽量提高施工排量;④注入压力随注入速率和流体黏度的增加而增加。最后通过将研究模型模拟结果和前人物理模拟实验结果进行对比,验证了模型的可靠性。

摘要： 相场法的主要思想是通过引进一个或多个光滑连续场函数来表示材料的微结构,而微结构的演化遵循系统的自由能泛函的最小化原理.本文采用相场法分别研究了含孔洞/裂纹系统的弹性平衡场,以及位错在无限大体中的演化,为进一步研究位错在含孔洞/裂纹材料中的演化奠定基础.

摘要： 相场法是微观组织模拟最有潜力的方法之一.本文论述了相场法的数学模型和相场模型的数值计算方法,以及相场法在枝晶生长方面的应用,最后指出了相场法存在的问题和未来的发展趋势。

摘要： 金属凝固微观组织对金属的性能有这决定性的影响,相场法是金属凝固组织模拟中最有潜力的方法之一,今年来已成为凝固领域研究的热点,并且利用该方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功.本文论述了相场法模拟凝固微观组织的原理,并介绍了近年来国内外在这一领域的研究进展,重点介绍相场方法在枝晶生长放方面的应用,并就进一步的发展方向进行了展望.

摘要： 金属凝固微观组织对金属的性能有这决定性的影响，相场法是金属凝固组织模拟中最 有潜力的方法之一，今年来已成为凝固领域研究的热点，并且利用该方法模拟凝固微观组织形成和演化已在国内外取得成功。本文论述了相场法模拟凝固微观组织的原理，并介绍了近年来国内外在 这一领域的研究进展，重点介绍相场方法在枝晶生长放方面的应用，并就进一步的发展方向进行了 展望。

摘要： 为有效解决NiTi形状记忆合金智能结构和器件的强度及服役可靠性和耐久性问题,须掌握对NiTi合金的形状记忆功能和超弹性起关键作用的基础相变问题.本项目建立了描述NiTi合金中马氏体相变及Ni4Ti3沉淀相析出过程的三维相场动力学模型,对致密NiTi合金中Ni4Ti3沉淀相析出过程的组织形貌演化和生长动力学行为进行了系统的三维模拟研究,探究了沉淀相形成自催化组织的机制及沉淀相尺寸及其周围浓度在时效过程的量化变化规律;拓展探索了含孔隙NiTi合金体系中外加应力对Ni4Ti3沉淀行为的影响,在定性和定量层面上同时阐明孔隙和外加应力场对Ni4Ti3沉淀相分布特征的影响规律.

摘要： 介绍了相场法的基本原理、数值求解和在凝固微观组织模拟中的应用,然后以枝晶生长为例对其在金属凝固微观组织模拟中的应用进行综述,并对该领域的发展进行了展望.相场法数值模拟经过多年的发展，逐渐发展成从纯金属到多元合金，从单一相场发展到多相场，从没有流场发展到包含流场，从二维发展到三维，从自由枝晶发展到定向凝固生长等等，其数学模型越来越完善，其模拟结果也越来越接近真实凝固过程。

摘要： 在低于凝点的水力悬浮输送过程中,胶凝原油颗粒在复杂的相间作用力下发生变形.本文基于相场法对不同集输温度下胶凝原油颗粒的变形进行模拟研究,颗粒变形后的长短轴通过Image Pro Plus图像处理软件确定,变形的大小用变形度衡量.模拟结果表明,集输温度越高,胶凝原油颗粒变形越明显;输送初始阶段变形较小,胶凝原油呈椭圆形;碰壁后变形急剧增加,碰壁后的胶凝原油颗粒呈不规则的摊铺状态.

摘要： 建立了演变的二次相粒子对晶粒长大影响的相场模型,所建立的模型可以预测含有大量的晶粒和演变粒子的结构,同时可以求解靠近粒子一晶界相交处的晶界的形状.结果表明,当粒子在晶粒形核之后存在时,部分的粒子开始时位于晶粒内部.随着晶粒的长大,粒子几乎全部位于晶界上,当晶界被很多的粒子钉扎后,晶界很难脱离.晶粒的分布相对于当粒子在晶粒形成之前形核时的情况更加均匀,而最终粒子对晶粒的钉扎作用也比当粒子在晶粒形成之前形核时的情况更好.粒子的初始面积分数和初始半径对晶粒的钉扎作用影响不大,对晶粒的钉扎效果取决于某一时刻粒子的面积分数和平均半径.

摘要： 基于Ginzburg-Landau理论,结合KKS模型,发展了一个单相场控制多个晶粒生长的相场模型,采用相场、溶质场进行耦合计算,以Al-Cu-Mg合金为例模拟了非等温条件下三元合金多个晶粒共同生长过程,并且研究了过冷度和凝固潜热对过冷合金溶液中等轴枝晶生长以及溶质分布和温度场分布的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶生长的越发达,晶粒之间的竞争生长越激烈,凝固潜热的释放在一定程度上抑制了枝晶的生长,使非等温凝固时枝晶没有等温凝固时发达.

摘要： 采用凝固过程相场模型,耦合温度场,以纯镍为例,模拟了界面原子运动时间参数对过冷熔体中枝晶生长形貌的影响规律.研究表明:当界面原子运动时间参数T0较小时,固液界面不稳定,扰动容易被放大,形成复杂的边枝,枝晶形状发生了变异,继而扰动的影响使晶粒生长速度加快;随着Tn的增大,固液界面变得稳定,形成了光滑的枝晶形貌.

摘要： 本发明提供了一种镍基单晶合金微观组织演化相场模型的有限元法，包括：通过有限元分析软件建立相场模型，获取输出模型文件；根据相场模型模拟需求对输出模型文件进行修改，获取模型修改文件；建立有限元分析软件的用户定义单元子程序和自定义输出变量子程序；通过工作模块采用所述模型修改文件与所述用户定义单元子程序及所述自定义输出变量子程序提交分析，获取分析数据；通过有限元分析软件的后处理模块对所述分析数据进行后处理。本发明提供的镍基单晶合金微观组织演化相场模型的有限元法，很大程度上减少了镍基单晶合金微观组织演化相场模拟中程序的编写和调试工作，提高了科研效率。

摘要： 本发明公开了一种相场‑格子玻尔兹曼法模拟大批量等轴晶生长和运动的高效精简方法，解决枝晶生长的多场耦合模拟中随计算域规模和枝晶数量的增加，计算资源耗费极大、模拟效率极低的关键问题，并在完整焊接熔池的多场耦合模拟中得到了有效验证，普遍适用于金属凝固领域。该方法提出了一种相场模拟数据结构的区层混分方法，代替传统的分层数据结构，实现液相及每个等轴晶对应的相场及其衍生变量的分区存储和高效遍历。采用本发明提出的高效精简方法模拟了具有120个母材晶粒和276个等轴晶的焊接熔池凝固，相比分层数据方法，节约内存95％，效率提升89％，证明此方法可以有效节约计算资源、提升模拟效率。

摘要： 本申请提供了蓝相液晶在电场法向的场致双折射率的测量装置及方法，涉及蓝相液晶技术领域，包括：激光器、第一偏振片、1/4波片、第二偏振片、光电探测器、电场产生装置和数据处理模块；第一偏振片、1/4波片、蓝相液晶样品器件、第二偏振片和光电探测器依次设置在激光器发出光束的光路上；电场产生装置为蓝相液晶样品器件产生预设场强的电场，且电场方向垂直于蓝相液晶器件的基板平面和1/4波片；光电探测器采集激光器发出光束的光路上的光强信息；数据处理模块对光电探测器采集的零场下的透射光谱的光强值，以及电场下的透射光谱的光强值进行处理，得到蓝相液晶在电场法向的场致双折射率。本申请能够实现蓝相液晶在电场法向的场致双折射率的测量。

摘要： 本发明属于相场法技术领域，公开了一种模拟γ‑TiAl合金在非等温条件下的相场分析法。通过合金体系的热力学和动力学参数确定初始化条件；根据合金中金属间化合物的晶体结构，利用亚点阵模型构建化学自由能模型，同时利用梯度下降法计算相应的原子占位比；利用修正的势阱函数耦合各相化学自由能与结构场变量η的关系，同时加入弹性能，构建体系自由能函数；将构建的函数带入相场方程，计算出结构场变量和成分场变量的结果值，然后进行可视化处理，获得相应的组织演化图，并分析结果。本发明可以模拟不同温度下晶粒的演变过程和不同冷速下组织的演变规律。为研究金属间化合物的相变过程提供了参考。

摘要： 本发明为一种基于相场法的Ni‑Nb超合金Laves相预测方法，包括如下步骤：简化条件与模型初始化；建立宏观温度场有限元计算模型；基于Ginzburg‑Landau相变理论，分别构建Ni‑Nb超合金相场演化方程与浓度场演化方程；将宏观温度场结算结果与微观相场模型进行耦合，模拟计算Ni‑Nb超合金凝固过程，最终获得Laves相形貌与分布模拟结果。本发明可以定量地模拟和预测Ni‑Nb超合金微观组织凝固过程Laves相的析出与分布，模拟Ni‑Nb超合金中Laves相动态演变过程，有助于深化理解Ni‑Nb超合金凝固过程中的元素富集现象，并为进一步的Ni‑Nb超合金性能改善与工艺优化奠定理论基础。

摘要： 本发明具体是一种基于相场法的耦合弹性能的铁铜锰合金固态相变模拟方法，所述方法包括如下步骤：S1：收集热力学参数与动力学参数；S2：建立铁铜锰合金体系的总自由能计算方程；S3：建立铁铜锰合金体系的弹性应变能计算方程；S4：基于Cahn‑Hilliard方程和Allen‑Cahn方程，将总自由能与弹性应变能耦合，建立耦合弹性应变能的固态相变的连续相场模型；S5：利用耦合弹性应变能的固态相变的连续相场模型进行模拟计算。本发明基于与成分有关的Cahn‑Hilliard方程和与结构有关的Allen‑Cahn方程，并将弹性能耦合到热力学和动力学方程，考虑析出相与母相间晶格错配影响、弹性不均匀特性以及外应力场作用，有助于更加贴近实际的模拟多组元合金弹性应变的微观组织过程，为多元合金理论提供研究思路。

摘要： 本发明具体是一种基于晶体相场法预测应变加载对微裂纹扩展影响的方法，属于晶体模拟领域。该方法包括以下步骤：(1)建立单模晶体相场模型，包括亥姆霍兹自由能方程和动力学方程；(2)确定时间和空间离散的数值求解方法；(3)初始化条件与参数设置，设置动态/静态应变加载方法及温度、取向角对照组；(4)将动态/静态应变加载以及不同取向角、温度等参数引入到单模晶体相场模型，动态展示晶体微裂纹扩展行为过程。本发明所述方法针对动态/静态应变加载条件下纳米单晶材料裂纹扩展行为，分析晶粒取向角和温度对裂纹扩展行为影响规律，得到纳米单晶在单轴静态拉伸和动态拉伸作用下微裂纹的组织形貌及扩展机制。

摘要： 本发明公开了一种基于断裂相场法的非均匀材料弥散裂纹J积分方法，所述方法包括如下步骤：一、引入断裂相场模型的相场变量d，确定具有积分区域无关性的非均匀材料弥散裂纹J积分表达式以及相应的有限元离散格式；二、建立含有弥散裂纹的有限元模型并划分有限元网格；三、调用断裂相场模型的计算子程序，采用牛顿‑拉普森方法求解断裂相场模型非线性控制方程；四、根据非均匀材料弥散裂纹J积分的有限元离散格式，基于有限元计算结果求解弥散裂纹尖端的特征量—应力强度因子KI。本发明实现了对非均匀材料弥散裂纹尖端特征量的准确求解，弥补了传统断裂相场法无法准确刻画弥散裂纹尖端应力状态的不足。

摘要： 一种通过相场法高效模拟枝晶生长的方法，通过建立微观组织模拟的相场模型，并设置相场模拟的初始条件，柱状晶模拟的初始条件为计算域底部设置薄固相层，单个等轴晶模拟的初始条件为计算域中心设置小的晶核；在相场中确定计算域的移动边界位置，使边界上方为未受到扩散界面影响的纯液相区；在溶质场中确定计算域的移动边界位置，使边界上方为未受到溶质扩散影响的液相区；比较相场的移动边界和浓度场的移动边界，确定最终计算域边界；用新确定的计算域边界进行相场法的模拟，获得枝晶生长结果；本发明只针对计算域做出自适应控制，易于编程实现，还可以与自适应网格法、多重网格法等共同使用，能够提升计算效率。

摘要： 本发明提出一种基于相场法和BP神经网络的机械结构剩余寿命预测方法，首先，建立机械结构的物理模型，基于物理模型采用相场法构建出机械结构的相场断裂模型，并对模型进行裂纹扩展分析；其次，在机械结构中选取易于测量的观测点，获取在裂纹扩展过程中观测点处的应变值和相对应的结构剩余寿命值，组成应变和结构剩余寿命的数据集；然后，将得到的数据集输入到BP神经网络中进行训练，获得应变和结构剩余寿命之间的预测模型；最后，只用连续采集机械结构观测点处的应变值，并将应变值输入到训练好的网络预测模型中，就能够预测出机械结构的剩余寿命信息。本发明只需要获得观测点处相应的响应值就可以预测出机械结构的剩余寿命信息。