[发明专利]基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法

摘要

本发明提供了一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法。所述基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法包括如下步骤：简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程的参数构建模型；建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个所述半椭球处于熔化状态，另一个所述半椭球处于凝固状态，并基于上述假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；建立微观组织演变模型，基于金兹堡‑朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型；宏观‑微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，计算宏观‑微观的耦合的相场模型，获得焊接熔池微观组织演变模拟结果。

主权项

1.一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：一、简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程的参数构建模型；二、建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个半椭球处于熔化状态，另一个半椭球处于凝固状态，并基于假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；三、建立微观组织演变模型，基于金兹堡‑朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型；四、宏观‑微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，从而计算宏观‑微观耦合的相场模型；在步骤三中，忽略结晶潜热的影响，定义温度场控制方程：其中，T(Z,t)为温度场分布情况，Z是平行于枝晶生长方向的坐标，t是凝固时间，T₀＝T(Z₀,0)是参考温度，G(t)是随时间变化的温度梯度，V_p(t')是随时间变化的界面推进速度；建立的模型中引入一个标量，即参量φ，在凝固过程中，φ＝1和φ＝‑1分别代表着固相或者液相，而在固液界面上，φ是一个连续函数，其值从‑1连续转变为1；溶质场的溶质浓度通过一个过饱和场U来表达：其中U是一个过饱和的场，k为溶质分配系数，c是溶质溶度分布情况，c_∞是远离固液界面的液相中平衡溶度；包含相场参量φ的相场方程如下：其中，W是界面厚度，τ₀是弛豫时间，l_T凝固区间长度，是各向异性函数；考虑流场对溶质扩散的影响，建立的溶质场方程如下：其中V代表流场的流速，j_at是溶质截流项；溶质截流项j_at的表达式如下：流场方程如下：其中p是压强，ρ₀是熔融液体密度，μ是粘度，是单位体积耗散界面力，其表达式如下：其中h是一个的常数；质量守恒方程定义为：▽[(1‑φ)V]＝0。