鋁合金鑄件凝固過(guò)程的宏觀及微觀模擬仿真研究進(jìn)展

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1、鋁合金鑄件凝固過(guò)程的宏觀及微觀模擬仿真研究進(jìn)展柳百成，熊守美，許慶彥摘要：使用數(shù)值方法來(lái)提高計(jì)算效率，并對(duì)于擴(kuò)展鋁壓鑄工藝的凝固和充模的汁算規(guī)模進(jìn)行了研究。也對(duì)于成型充填模擬的并行計(jì)算方法進(jìn)行了研究，同時(shí)對(duì)于凝固模擬，隱式有限差分方法和瞬態(tài)面層的概念也進(jìn)行了研究。另外，修改后的元胞自動(dòng)機(jī)方法被用來(lái)模擬的微觀結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程和鋁合金的演變，其中包括的晶粒結(jié)構(gòu)和樹(shù)枝狀微觀結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文章中的模型合理的描述了組織形成的過(guò)程和演化。DOI:10.1007/sl1663-007-9073-y?TheMinerals,

2、Metals&MaterialsSocietyandASMInternational2007I.簡(jiǎn)介鋁合金鑄造起在汽車，航空航夭，屯子等行業(yè)重要的作用。雖然每年的鑄造生產(chǎn)在中國(guó)是1988萬(wàn)噸，在世界在2004年的第一個(gè)位置，鋁合金鑄件所占比例仍然很低，比發(fā)達(dá)國(guó)家要低8T0%。由于制造業(yè)，尤其是汽車行業(yè)的快速發(fā)展，據(jù)預(yù)測(cè)，鋁合金鑄件將顯著在未來(lái)兒年增加。建模和仿真將是一個(gè)非常重要的工具，以優(yōu)化的鑄造過(guò)程中，縮短前置吋間，以保證質(zhì)量，并同吋能夠提高鋁合金鑄件的力學(xué)性能。因?yàn)楦邏簤鸿T是-?種主要的鋁合金鑄件近終形鑄造技

3、術(shù),在這篇文章中,通過(guò)使用并行計(jì)算技術(shù),對(duì)模具填充的數(shù)值模擬和高壓壓鑄過(guò)程的熱傳遞進(jìn)行了研究，特別是考虎到復(fù)雜的循環(huán)特性和計(jì)算效率的提高。此外，晶粒結(jié)構(gòu)在鋁合金鑄件性能和機(jī)械性能起逼要的作用。許多的方式，包括確定性模型，相場(chǎng)法，元胞自動(dòng)機(jī)（CA）的方法等，已經(jīng)對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的凝固過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在這篇文章中，修改后的CA方法對(duì)鋁合金鑄件凝固過(guò)程中晶粒演變的模擬提供了發(fā)展。II.應(yīng)用并行計(jì)算技術(shù)的壓鑄工藝充型模擬通常，鑄造工藝的圧力條件下，熔融金屬流被視為粘性湍流和具有恒定特性的可圧縮流體。根據(jù)質(zhì)量，動(dòng)量，能量和湍流量

4、的守恒，在笛卡爾守恒方程的一般形式的坐標(biāo)系可表示如下：[1]紳）煤如）這種求解算法（SOLA）被廣泛應(yīng)用于求解流體容積（VOF）方程來(lái)處理液體熔體的自由表面。用過(guò)VOF方法,一個(gè)F函數(shù)方程中加入，并且它也可以被表示為用F/Q作為變量?的一般形式。因?yàn)殡x散的流體控制方程的解決方案為是一個(gè)迭代過(guò)程，非常耗時(shí)，在H前的研究工作中一般采用并行計(jì)算技術(shù),以加速計(jì)算，并擴(kuò)人了計(jì)算規(guī)模。A.并行搜索算法通過(guò)分析模具填充計(jì)算過(guò)程的模擬，發(fā)現(xiàn)一些參數(shù)僅影響計(jì)算效率，得到同樣的結(jié)果，不同的參數(shù)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度不同。這些參數(shù)包括迭代的方

5、向，對(duì)于壓力計(jì)算的松弛因子，所述權(quán)重因子在差分格式等等。根據(jù)這種現(xiàn)彖，提出了并行搜索算法（PSA）,這種算法的原理是優(yōu)化在集群平臺(tái)的計(jì)算參數(shù)，這可能通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)：（1）選擇從解決過(guò)程屮大大影響了運(yùn)算速率的參數(shù)；（2）在不同的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)屮調(diào)整一個(gè)平行的多功能節(jié)點(diǎn)集群系統(tǒng)的參數(shù)；（3）尋找最佳解決路徑來(lái)獲得模擬結(jié)果。該方法的示意圖示于圖1屮，其屮還包括一個(gè)四計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。該矩形是在群集系統(tǒng)屮的計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)中，水平線代表同一時(shí)刻，而水平箭頭表示計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的通信。TimeNParallelsearchBAIRF

6、astestnodeCommunicationTimeN+l.VnmkkPiirallelsearch□FastestnodeTimeN+2ACommunication■圖1—并行搜索算法的原理幾個(gè)壓鑄部件的模具填充模擬，重點(diǎn)是計(jì)算效率模擬，對(duì)并行搜索算法的驗(yàn)證進(jìn)行了測(cè)試。該部件包括一個(gè)簡(jiǎn)單的部分（平板和水模擬）和一些實(shí)用的，比如一個(gè)B5油濾清器托架鑄件（Zn-AI系合金），一個(gè)倒車伺服活塞鑄件（鋁硅銅合金），和一個(gè)％動(dòng)力蓄電池鑄件（鋁硅銅合金）。參數(shù)和結(jié)果列于表I。根據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn)，并行搜索算法可以大大提高在中

7、小規(guī)模的計(jì)算效率。效率的提高并不是取決于計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目或直鏈以及其他穩(wěn)定的數(shù)學(xué)關(guān)系。而且由于計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化，可以對(duì)某些部件實(shí)現(xiàn)得到更希望的結(jié)果。表I.并行搜索算法充型模擬的參數(shù)和結(jié)果種類鑄件網(wǎng)格（n）持續(xù)時(shí)間（h）網(wǎng)格數(shù)日（n）并行搜索算法時(shí)間效率(PCT)平板87721.3480.8933.6平板87721.34120.9032.8平板87721.34160.8139.6B5油濾清器托架8575828.77*162.9：90倒車伺服活塞59261—1655.47—%動(dòng)力蓄電池46106—1630.25—*計(jì)算

8、時(shí)間高達(dá)57.17pct的填充率。一-由于速度慢最終結(jié)果不能獲得（超過(guò)150H）A.區(qū)域分解并行算法現(xiàn)代并行計(jì)算技術(shù)在處理大型模擬問(wèn)題很有效果，尤其是實(shí)際中復(fù)雜的壓鑄件。在這篇文章中，一個(gè)基于區(qū)域分解法的異步并行算法也就是施瓦茨混亂松弛算法，被用來(lái)實(shí)現(xiàn)在并行計(jì)算平臺(tái)上的大規(guī)模計(jì)算壓鑄流體流場(chǎng)。將該運(yùn)算域劃分成一系列的子域，其將其分配給不同的處理器（子節(jié)點(diǎn)）。對(duì)于每個(gè)時(shí)間步