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材料行業

編輯:超算網絡信息中心 信息來源:本站原創 發布時間:2010年02月11日 瀏覽次

超算有限元分析系統SciFEA—材料行業應用解決方案

1、行業計算模擬現狀

材料加工處理是一門既古老又年輕的行業,早在商周時期青銅器的制作和加工就涉及到材料的處理工藝,但真正將材料加工制備經驗提升為科學技術只有近百年的歷史。材料數值模擬是隨著計算機的發展,將材料加工中的科學技術通過數值求解,揭示材料加工中的內在規律、總結材料加工的工藝方法也就是近幾十年的時間。材料數值計算主要有兩個大方向,一個是計算材料的屬性,主要是材料的相圖計算和物理或熱物理參數計算。另一個是應用材料的屬性模擬材料加工過程,例如鑄造、焊接、鍛造、熱處理、復合材料、鈑金成型等工藝,又稱為材料數值模擬仿真技術。
目前材料加工制備數值模擬大部分采用通用軟件,也有不少專業的數值模擬軟件出現面向鑄造、焊接、鍛造、熱處理等專門的工藝過程。但材料加工是一個多物理場耦合的復雜過程,目前的軟件在處理多物理量耦合方面還存在擴展性和開放性不足的問題。這表現在增加一種新的物理場沒有一個靈活的實施方案,同時對新的材料行為的認識不能自由地提供擴展接口,軟件框架性的限制多。從下面的圖示我們可以清晰地看到,材料加工過程的復雜性對材料計算模擬向多相多場開放式發展的巨大需求。

熱處理各物理量耦合關系,材料行業應用解決方案鑄件凝固過程模擬中的多場耦合,材料行業應用解決方案
熱處理各物理量耦合關系 鑄件凝固過程模擬中的多場耦合


2、超算解決方案

SciFEA軟件提供的固體(彈性、彈塑性、粘彈性)模塊、流體(NS,RANS)模塊;熱固耦合模塊、傳熱模塊(穩態、瞬態)、固體接觸模塊、熱接觸模塊、擴散模塊、相變處理模塊、電磁模塊等,可以直接滿足材料行業固體變形與應力、傳熱、溫度、材料擴散、材料結晶相變、材料電磁加工等方面的計算需求。

超算科技可以為提供針對材料的定制模塊。包括:鑄件凝固過程數值模擬

通過對鑄造充型、熱傳導、凝固過程和應力場的模擬,分析縮孔、縮松、冷隔、澆不足、氧化夾渣、鑄造裂紋等缺陷的形成原因分析;熱處理過程溫度、組織、應力/應變三方面交互作用的復雜過程計算,模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等熱處理工藝過程;焊接熱傳導分析、焊接熔池流體動力學、電弧物理、焊接冶金和焊接接頭組織性能的預測、焊接應力與變形、焊接過程中的氫擴散、特殊焊接過程(電阻點焊、激光焊、摩擦焊和瞬態液相焊接)數值分析、焊接接頭的力學行為;滲碳熱處理、脫氫處理、半導體摻雜濃度場計算;材料鍛造過程中的流動熱、冷、溫成型,如:材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金屬微結構和缺陷產生發展情況等。

超算科技可以針對用戶需求提供擴展軟件包,突破現有軟件模擬限制,可以研究與開發需要考慮溫度、流動、塑性、粘性、相變、應力、組織等方面的復雜耦合。

超算,材料行業應用解決方案
超算材料行業解決方案

針對用戶分析精度的要求,超算科技提供用戶定制化的并行計算模塊開發和并行計算咨詢服務。并行計算可以根據用戶預算的情況提供基于機群的MPI并行和基于GPU的眾核并行兩種解決方案。

3、應用案例

氣體滲碳熱處理和柯肯達爾效應

為提高材料的表面韌性,金屬材料需要進行滲碳滲氮處理。對于滲碳滲氮處理的合適的時間控制是改工藝的主要環節。時間短則表面性能達不到要求,時間長又會引起材料整體脆性增加。超算可以開發的材料擴散模塊可以對各種材料的滲碳滲氮等擴散過程進行模擬,能計算模擬等到各不同時刻的擴散濃度和擴散深度。

滲碳熱處理Cu-黃銅 擴散偶,材料行業應用解決方案 擴散55.5天Cu原子質量分數分布圖,材料行業應用解決方案
滲碳熱處理Cu-黃銅 擴散偶,擴散55.5天Cu原子質量分數分布圖

鑄件凝固過程溫度場模擬

鑄件溫度場變化是反映鑄件性能的主要指標,溫度場變化直接影響鑄件的宏觀缺陷,如縮孔、縮松、熱裂及宏觀偏析等。超算科技根據鑄件凝固的熱物理模型,開發出考慮傳導、對流、輻射、相變潛熱、縮孔縮松影響的溫度場、固相率場的數值模擬系統,可以反映出鑄件凝固過程中溫度場變化規律和鑄件缺陷的主要特征。

模擬凝固10000S時的溫度分布VS模擬凝固20000S時的溫度分布,材料行業應用解決方案
模擬凝固10000S時的溫度分布VS模擬凝固20000S時的溫度分布

焊接過程傳熱流動過程模擬

激光焊接熔化過程是一個包括傳熱、流動、相變的復雜物理過程,需要處理流動過程中的壓力不穩定性、溫度結構的大Peclet數時的不穩定性以及熔化過程的自由面追蹤等困難。結合項目要求采用速度場保持法解決了隨著熔點線推移,速度場擴大的問題,通過引入壓力泊松方程,增加解的穩定性。采用GLS(穩定有限元)方法求解溫度的對流擴散輸運方程,克服的傳統有限元計算此類問題的數值穩定性問題。同時我們采用準濃度法實現自由界面的跟蹤,能夠清晰地標識焊錫熔化交接位置。

焊錫熔化過程,材料行業應用解決方案

焊錫熔化過程
焊接不同時刻的溫度結構,材料行業應用解決方案
焊接不同時刻的溫度結構

4、攜手計算

材料行業計算在逐漸向多場多相發展,對材料科學的認識正不斷被計算技術吸收融合形成理論、實驗、數值模擬的綜合體系,這三個方面的交叉滲透和促進給計算材料提出了許多挑戰性課題。超算科技將攜手廣大科技工作者和工程師結合理論、實驗和數值模擬共同拓展材料行業的發展。利用超算科技計算模擬技術積累,我們希望在以下具體的開發方向上和您攜手進行計算模擬分析與研究。
材料相變動力學的數值模擬;
材料表面工程的的數值模擬;
材料基礎理論計算模擬輔助研究;
焊接過程多相多場模擬分析;
鑄造過程溫度、流動、組織生長、應力模擬;
鍛造過程塑性加工模擬。

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