CN113486518B - 一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，涉及冶金连铸技术领域。基于二维柱状晶生长CA‑FVM模型，计算柱状晶组织生长形貌；提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型；基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，即柱状晶组织粘塑性模型；设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件；在有限元软件中计算柱状晶组织粘塑性变形，并进行可视化及数据后处理。该方法能够定性表征钢凝固过程柱状晶组织在拉伸作用下的变形演化情况以及过大应力、应变集中分布部位，同时对二次枝晶臂的粘塑性变形力学行为也能很好地定性表征。
Description
技术领域
本发明涉及冶金连铸技术领域，尤其涉及一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法。
背景技术
连铸是钢铁冶金生产流程中材料转换的关键环节，也是节能降耗、提高钢材使用性能的关键阶段。在连铸生产实践中，裂纹作为主要缺陷严重影响铸坯的质量。内裂纹作为裂纹的一种类型，绝大数发生在凝固过程，其凝固前沿固体枝晶受力变形是产生初始缺陷的直接诱因。固体受力变形是连铸过程中常见的现象，当铸坯仍处于凝固状态时，变形可延伸至半固态糊状区。这种糊状区域通常是由被熔体包围的固体枝晶组成的，因此处于半固态的糊状区组织变形表现出粘塑性的特性。当结晶器摩擦力引起的应力、坯壳鼓肚应力、热应力、矫直应力、以及由于导辊变形、不对中引起的附加机械应力作用于凝固前沿时，凝固界面率先沿柱状晶晶界开裂形成裂纹，并向固相扩展，在随后的凝固前沿继续受到应力和应变作用，已形成的内裂纹随着凝固界面的推进进而连续“生长”。消除铸坯裂纹的过程就是寻找产生过大应力或应变的原因，因此研究揭示钢凝固过程柱状晶组织粘塑性变形对于了解糊状区组织的力学行为和从微观层面上了解内裂纹形成机理并最终防止铸坯的缺陷具有十分重要的意义。
然而，枝晶组织变形是一个复杂的过程，涉及到多种物理现象，例如凝固并形成枝晶之间的桥梁或晶界、带有接触的大非弹性固体变形、熔体流动等。中国专利“CN201410057155.9”公开了一种柱状晶/等轴晶复合晶体结构的高强塑积合金钢及其制备方法，在定向凝固形成的柱状晶组织的基础上，通过塑性变形和再结晶退火，生长出一定数量的等轴晶。其中柱状晶有利于提高其轴向的塑性，而等轴晶则有利于提高材料的整体强度，从而使材料强度和塑性同时得到改善。中国专利“CN201110102915.X”公开了一种柱状晶结构的孪生诱发塑性合金钢及其制备方法，控制合金钢的组织为柱状晶，消除了横向晶界，大大提高了材料的纵向力学性能，实现合金钢在较高水平上调节力学性能。然而，对于连铸生产中钢凝固过程糊状区柱状晶组织塑性变形过程力学行为没有相关报道。“Reinhart(Jom,2014,66(8):1408-1414)”和“Suéry(Jom,2012,64(1):83-88)”通过同步辐射原位观察、X射线微层析成像等实验手段很难直接观察到柱状晶组织受力变形过大应力、应变集中分布情况，而且实验检测周期长、设备昂贵经济成本高、尚不能大规模应用于工业检测。由于数值模拟技术相比实验手段成本低、效率高、易于控制等优点，应用直接有限元模拟技术来模拟柱状晶组织受力变化是一种有效的手段。一些研究人员利用直接有限元法开发了模型来研究柱状晶组织的力学行为，但由于柱状晶形状复杂，“Domitner(IOPConference Series Materials Science and Engineering,2012,33(1))”简化了柱状晶组织，将柱状晶近似为圆锥形轴对称几何模型，忽略了二次枝晶臂变形行为的影响，简化的柱状晶模型不能很好地表征钢凝固过程柱状晶在外力作用下的变形情况，“Fuloria D(Acta Materialia,2009,57(18):5554-5562)”由于忽略了熔体的存在，仅模拟了柱状晶结构的单轴压缩情况，存在一定的局限性。因此为了表征钢凝固过程柱状晶组织的粘塑性变形行为，在模拟计算中需要一起考虑真实的柱状晶结构和液相，因此亟需找到一种可行的办法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，预测钢凝固过程柱状晶组织粘塑性变形行为，分析凝固前沿柱状晶组织的过大应力、应变集中分布情况，为阐明柱状晶开裂倾向和从微观层面上了解内裂纹形成机理并最终防止连铸坯的裂纹缺陷奠定关键基础。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，具体为：
计算柱状晶组织生长形貌，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型；
基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，即柱状晶组织粘塑性模型；
设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件；
在有限元软件中计算柱状晶组织粘塑性变形，并进行可视化及数据后处理。
进一步地，所述计算柱状晶组织生长形貌，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型的具体方法为：
步骤S1：基于CA法建立的二维柱状晶生长CA-FVM模型，计算柱状晶组织生长形貌；
步骤S2：提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据；
步骤S3：筛选删除柱状晶组织生长形貌数据中的重复数据点；
步骤S4：在有限元软件ANSYS中建立柱状晶组织几何模型，导出为iges格式文件；
步骤S5：对ANSYS导出的iges格式文件进行格式转换，输出为有限元软件ABAQUS兼容的iges格式；
步骤S6：在软件ABAQUS中建立柱状晶组织有限元模型。
进一步地，所述步骤S1的具体方法为：
步骤S1.1：设置柱状晶组织生长的温度场；
步骤S1.2：设置柱状晶组织生长的溶质场；
步骤S1.3：设置柱状晶组织生长过程中固液界面的传递与演变过程。
进一步地，所述步骤S1.1的具体方法为：
确定考虑溶质偏析的熔体形核过冷度ΔTb，如下公式所示：
ΔTb＝Tl+ml(Cl-C0)-T* (1)
Tl＝Tm+ml·C0 (2)
式中，Tm为纯铁的熔化温度，Tl为初始溶质含量C0条件下的液相线温度，T*和Cl分别为液相中局部温度和溶质含量，ml为液相线斜率；
根据预设的热条件，确定T*如下公式所示：
T*＝Tl+G·y-CR·t (3)
式中，G为温度梯度，y为新生柱状晶的核心距计算域底部元胞的垂直距离，CR为柱状晶生长的冷却速率，t为熔体凝固时间；
设定熔体的形核密度n随形核过冷度ΔTb的变化率服从高斯分布函数，如下公式所示：
式中，nmax为最大形核密度，ΔTn和ΔTσ为熔体形核过冷度ΔTb的平均值和标准差。
进一步地，所述步骤S1.2的具体方法为：
通过式(5)-(7)，单独计算柱状晶组织生长液相和固相溶质扩散：
D＝Dl(1-fs)+Dsfs (7)
式中，Cl和Cs分别为液相和固相溶质含量，Ds和Dl分别为溶质在固相与液相中的扩散系数，D是根据固相率fs确定的加权溶质扩散系数，对于固相和液相元胞，D分别为Ds和Dl，X、Y为CA-FVM模型计算域的水平和垂直方向，k0是溶质再分配系数。
进一步地，所述步骤S1.3的具体方法为：
根据溶质通量平衡，确定柱状晶组织生长过程中固液界面的生长动力学方程，如下公式所示：
式中，Vn为固液界面法相生长速度，和/>分别为固液界面处液相和固相的平衡溶质浓度；/>的大小取决于固液界面处的局部温度和曲率，如下公式所示：
式中，Γ为合金的吉布斯-汤姆逊系数，εA为各向异性常数，为固液界面法相与X轴的夹角，θ为固相胞的生长方向，κ为固液界面曲率，由固相率fs的一阶与二阶导数确定。
进一步地，所述基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型的具体方法为：
一、设置柱状晶的固相粘塑性属性：
获取Anand粘塑性材料的物性参数，用以表征固相柱状晶的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，如下公式所示：
其中，s为粘塑性材料的变形阻力，s的演化方程如下公式所示：
式中，为s的演化形式，/>为等效非弹性应变；AA为Anand粘塑性材料的指前因子；QA为Anand粘塑性材料的激活能与气体常数之比；T为绝对温度；ξ为Anand粘塑性材料的应力乘数；/>为等效应力；m为Anand粘塑性材料应力的应变率敏感性；h0为Anand粘塑性材料硬化或软化常数；α为Anand粘塑性材料硬化或软化的应变率敏感性；/>为s的Anand粘塑性材料的饱和值；
二、设置柱状晶的液相属性：根据假定的液相弹性模量的取值阈值及计算收敛性要求确定弹性模量的具体数值。
进一步地，所述设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件具体为：
(1)设置分析步Step：采用非线性静力学分析步，实现一个与时间无关的静态加载过程，产生初始应力场；然后设置粘塑性蠕变分析步，进行柱状晶的粘塑性分析计算；
(2)设置柱状晶组织液相部分和固相部分接触的相互作用：柱状晶组织粘塑性模型液相部分和固相部分接触面采用法向行为模型，接触面完全光滑，模型的法向行为设置为硬接触，并且不允许接触后分开；
(3)设置柱状晶组织粘塑性模型的边界条件：对柱状晶组织粘塑性模型的右侧边界施加位移拉伸条件，对底部边界在Y垂直方向约束其平移自由度，Z方向约束旋转自由度，左侧边界在X水平方向约束平移自由度，上部边界设置无约束条件；
(4)对柱状晶组织粘塑性模型划分网格并选择网格单元属性，优化网格质量直到网格质量达到计算精度。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，模拟柱状晶组织在外力作用下的粘塑性变形力学行为，基于Anand提出的高温条件下的金属率相关粘塑性定律，在有限元软件ABAQUS中针对钢凝固过程柱状晶组织进行拉伸模拟，可以观察到拉伸作用下柱状晶组织中存在着复杂的应力和应变分布。该方法能够定性表征钢凝固过程柱状晶组织在拉伸作用下的变形演化情况以及过大应力、应变集中分布部位，同时对二次枝晶臂的粘塑性变形力学行为也能很好地定性表征。消除铸坯裂纹的过程就是寻找产生过大应力或应变的原因，该方法对于阐明柱状晶开裂倾向和从微观层面上了解内裂纹形成机理并最终防止连铸坯的裂纹缺陷奠定关键基础。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法流程图；
图2为本发明实施例提供的基于CA-FVM法建立的柱状晶组织生长的形貌图；
图3为本发明实施例提供的柱状晶组织拉伸模拟的边界条件示意图；
图4为本发明实施列提供的柱状晶组织粘塑性模型的网格划分图；
图5为本发明实施例提供的柱状晶组织粘塑性变形过程中不同拉伸比下的粘性应力分布图；其中，(a)为拉伸比1％下的应力分布，(b)为拉伸比3％下的应力分布，(c)为拉伸比5％下的应力分布(d)为拉伸比8％下的应力分布；
图6为本发明实施例提供的柱状晶组织粘塑性变形过程中不同拉伸比下的粘性应变分布图；其中，(a)为拉伸比1％下的应变分布，(b)为拉伸比3％下的应变分布，(c)为拉伸比5％下的应变分布(d)为拉伸比8％下的应变分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例采用本发明的钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，对某钢凝固过程柱状晶组织粘塑性变形过程中的应力、应变分布情况进行预测。
本实施例中，一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：计算柱状晶组织生长形貌，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型；
步骤1.1：基于CA法建立的二维柱状晶生长CA-FVM模型，如图2所示，计算柱状晶组织生长形貌，具体计算过程为：
本实施例设计一个2.02mm×6.00mm的区域，并将其网格划分为5μm×5μm的CA元胞。在凝固之前，4个柱状晶核心预先设置在计算域底部，然而新生枝晶的核心根据定向凝固过程中局部热和溶质条件随机形成。熔体形核后，枝晶根据固液界面上局部溶质平衡生长。因此，需要设置柱状晶组织生长的温度场、溶质场及柱状晶组织生长过程中固液界面的传递与演变过程；
步骤1.1.1：设置柱状晶组织生长的温度场：
确定考虑溶质偏析的熔体形核过冷度ΔTb，如下公式所示：
ΔTb＝Tl+ml(Cl-C0)-T* (1)
Tl＝Tm+ml·C0 (2)
式中，Tm为纯铁的熔化温度，Tl为初始溶质含量C0条件下的液相线温度，T*和Cl分别为液相中局部温度和溶质含量，ml为液相线斜率；
根据预设的热条件，确定T*如下公式所示：
T*＝Tl+G·y-CR·t (3)
式中，G为温度梯度，y为新生柱状晶的核心距计算域底部元胞的垂直距离，CR为柱状晶生长的冷却速率，t为熔体凝固时间；
设定熔体的形核密度n随形核过冷度ΔTb的变化率服从高斯分布函数，如下公式所示：
式中，nmax为最大形核密度，ΔTn和ΔTσ为熔体形核过冷度ΔTb的平均值和标准差；
步骤1.1.2：设置柱状晶组织生长的溶质场：
通过式(5)-(7)，单独计算柱状晶组织生长液相和固相溶质扩散：
D＝Dl(1-fs)+Dsfs (7)
式中，Cl和Cs分别为液相和固相溶质含量，X、Y为CA-FVM模型计算域的水平和垂直方向；k0是溶质再分配系数，Ds和Dl分别为溶质在固相与液相中的扩散系数，D是根据固相率fs确定的加权溶质扩散系数，对于固相和液相元胞，D分别为Ds和Dl，尽管假定存在固液界面，但界面元胞实际上处于糊状态。合金物理性质不应在界面元胞中跳跃，因此使用了加权平均值。另外，通过调和平均方法，确定元胞边界处的扩散系数。在仿真过程中，所有计算域边界处的溶质通量均为0。
步骤1.1.3：设置柱状晶组织生长过程中固液界面的传递与演变过程：
根据溶质通量平衡，确定柱状晶组织生长过程中固液界面的生长动力学方程，如下公式所示：
式中，Vn为固液界面法相生长速度，和/>分别为固液界面处液相和固相的平衡溶质浓度；/>的大小取决于固液界面处的局部温度和曲率，如下公式所示：
式中，Γ为合金的吉布斯-汤姆逊系数，εA为各向异性常数，为固液界面法相与X轴的夹角，θ为固相胞的生长方向，κ为固液界面曲率，由固相率fs的一阶与二阶导数确定；
步骤1.2：提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据；
本实施例采用Tecplot软件的Extract Contour Lines功能提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据，并输出为DAT文件；
步骤1.3：筛选删除柱状晶组织生长形貌数据中的重复数据点；
本实施例采用Microsoft Visual Studio 2019C++编写程序处理柱状晶组织生长形貌DAT文件数据，筛选、删除重复的数据点并输出为APDL语言格式；
步骤1.4：建立柱状晶组织几何模型；
本实施例采用APDL语言在有限元软件ANSYS中建立柱状晶组织几何模型，模型建立方法为由柱状晶组织生长形貌数据节点坐标连线并生成几何面，最后导出为iges格式文件；
步骤1.5：数据文件格式转换；
本实施例采用HyperMesh软件对ANSYS导出的iges格式文件进行格式转换，输出为有限元软件ABAQUS兼容的的iges格式；
步骤1.6：建立柱状晶组织有限元模型；
本实施例将HyperMesh导出的iges文件导入软件ABAQUS中，划分网格，建立柱状晶组织有限元模型；
将HyperMesh导出的iges文件导入有限元软件ABAQUS中建立柱状晶组织几何模型，然后利用ABAQUS软件CAE界面的建模功能建立一个二维的平面用于表征液相，然后将柱状晶组织和液相部件进行装配，通过布尔操作合并面，然后划分网格，具体网格划分见步骤3.4，最终建立柱状晶组织有限元模型；
步骤2：基于柱状晶组织有限元模型，基于Anand提出的高温条件下的金属率相关定律，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，即柱状晶组织粘塑性模型；此步骤为关键环节，凝固过程中糊状区组织既表现出液体粘性的性质同时又伴随着塑性的变化，通过对柱状晶组织设计粘塑性材料属性来近似凝固过程中柱状晶组织在外力作用下的粘塑性变形行为。
步骤2.1：设置柱状晶的固相粘塑性属性：
获取Anand粘塑性材料的物性参数，用以表征固相柱状晶的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，如下公式所示：
其中，s为粘塑性材料的变形阻力，单位为N/m2，用于表示对非弹性应变的各向同性阻力，s的演化方程如下公式所示：
式中，为s的演化形式，/>为等效非弹性应变，单位为s-1；AA为Anand粘塑性材料的指前因子，s-1；QA为Anand粘塑性材料的激活能与气体常数之比，K；T为绝对温度，℃；ξ为Anand粘塑性材料的应力乘数；/>为等效应力，单位为N/m2；m为Anand粘塑性材料应力的应变率敏感性；h0为Anand粘塑性材料硬化或软化常数，单位为N/m2；α为Anand粘塑性材料硬化或软化的应变率敏感性；/>为s的Anand粘塑性材料的饱和值；
此外还定义变形阻力s的初值为s0；
本实施例中，Anand粘塑性材料的物性参数如表1所示，计算所用力学性能参数如表2所示；
表1 Anand粘塑性材料的物性参数
表2柱状晶组织固相部分的材料属性
| 参数 | 取值 |
| 密度(kg/m3) | 7400 |
| 弹性模量(Gpa) | 15 |
| 泊松比 | 0.30 |
| 屈服强度(Mpa) | 440 |
步骤2.2：设置柱状晶的液相属性：根据假定的液相弹性模量的取值阈值及计算收敛性要求确定弹性模量的具体数值；
由于液相没有弹性模量，为了近似表征液相部件的性质以及计算收敛，需要把弹性模量取得足够小，一般取值范围在1～100Pa之间，具体取值需要根据模拟实际设置；本实施中液相的弹性模量设定为1Pa，泊松比设置为0.45；
步骤3：设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件：
步骤3.1：设置分析步Step：采用通用的非线性静力学分析步，实现一个与时间无关的静态加载过程，产生初始应力场；然后设置粘塑性蠕变分析步(Visco)，进行柱状晶的粘塑性分析计算；采用自动时间步，完全牛顿求解方法，时间周期和步长大小进行柱状晶的粘塑性分析计算；
本实施例中，分析步时间总长设置为1，初始步长设置为0.01，最小步长设置为1E-005，最大增量数设置为10000，蠕变应变容差设置为1E-005，为了提高计算效率，修改场输出(Field Output)，主要包括应力、应变、粘性应力、粘性应变、位移场的输出；
步骤3.2：设置柱状晶组织液相部分和固相部分接触的相互作用：首先在CreateInteraction对话框创建接触面相互作用力学模型，液相部分和固相部分接触面相互作用力学模型定义接触面的法向行为和切向行为，柱状晶组织粘塑性模型液相部分和固相部分接触面采用法向行为模型，接触面完全光滑，模型的法向行为设置为硬接触，并且不允许接触后分开，选择不勾选Allow separation after contact复选框；
步骤3.3：设置柱状晶组织粘塑性模型的边界条件：对柱状晶组织粘塑性模型的右侧边界施加位移拉伸条件，对底部边界在Y垂直方向约束其平移自由度，Z方向约束旋转自由度，左侧边界在X水平方向约束平移自由度，上部边界设置无约束条件，如图3所示；
步骤3.4：对柱状晶组织粘塑性模型划分网格并选择网格单元属性，优化网格质量直到网格质量达到计算精度；
此步骤是柱状晶组织粘塑性变形分析的关键环节，直接影响到计算结果的精度和计算规模的大小以及计算的收敛性，本实施例中，该过程利用ABAQUS虚拟拓补功能对阻碍网格划分的小面、小边等不重要的细节进行优化处理以提高网格的质量和降低计算成本，虚拟拓补功能在Mesh模块下，具体操作为Tool>Virtual Topology>Combine Edges，本实施例对于网格全局划分尺寸初步设置为0.2、局部划分尺寸液相设置为0.05，固相柱状晶设置为0.008，曲率控制液相设置为0.1，固相柱状晶设置为0.1，网格划分技术采用自由网格划分技术和进阶算法，网格单元形状选择以四边形为主，单元类型选择为CPE4R单元。上述过程完成后进行划分网格，网格划分之后需通过ABAQUS网格质量检查模块对网格质量进行分析检查，对于网格质量分析后网格质量比较差的局部高亮部位，需修改这些高亮部位的局部网格划分尺寸，重新划分网格，不断优化网格质量直到网格质量检查显示错误率为0％，同时也要尽量减小网格质量分析的分析警告比率，本实施例中，网格划分情况如图4所示，网格质量检查结果错误率0％，警告率0.259973％；
步骤4：在有限元软件中计算柱状晶组织粘塑性变形，并进行可视化及数据后处理。
本实施例中，在ABAQUS中创建和编辑分析作业，生成inp计算文件、提交计算、监控作业运行状态，为提高计算效率，采用并行计算，提高计算效率；
对柱状晶组织粘塑性模型计算结果中的应力、应变分布规律的分析和对柱状晶组织粘塑性变形效果进行可视化显示。并对计算结果数据进行后处理操作；
本实施例中，对柱状晶组织粘塑性模型计算结果可视化、后处理操作可以得到如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)所示的拉伸比分别为1％、3％、5％、8％的柱状晶组织粘性应力分布图，相对应的柱状晶组织粘塑性变形过程中的粘性应变分布图如图6(a)、6(b)、6(c)、6(d)中所示。本实例通过对钢凝固过程柱状晶组织在外力作用下粘塑性变形过程的模拟得到的粘性应力、粘性应变分布图中可以观察到拉伸作用下柱状晶组织中存在着复杂的应力和应变分布，其中在凝固前沿和一次枝晶臂、二次枝晶臂根部存在着过大应力和应变，这些过大应力、应变集中分布部位是内裂纹产生的敏感性区，在随后，凝固前沿继续受到应力、应变作用，已形成的内裂纹可能随着凝固界面的推进进而连续“生长”。该方法能够定性表征钢凝固过程柱状晶组织在拉伸作用下的变形演化情况以及过大应力、应变集中分布部位，同时对二次枝晶臂的粘塑性变形力学行为也能很好地定性表征。消除铸坯裂纹的过程就是寻找产生过大应力或应变的原因，该方法对于预测柱状晶开裂倾向和从微观层面上了解内裂纹形成机理并最终防止连铸坯的裂纹缺陷奠定关键基础。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (5)
1.一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，其特征在于：
计算柱状晶组织生长形貌，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型；
基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，即柱状晶组织粘塑性模型；
设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件；
在有限元软件中计算柱状晶组织粘塑性变形，并进行可视化及数据后处理；
所述计算柱状晶组织生长形貌，建立柱状晶组织几何模型与有限元模型的具体方法为：
步骤S1：基于CA法建立的二维柱状晶生长CA-FVM模型，计算柱状晶组织生长形貌；
步骤S2：提取特定固相率下柱状晶组织生长形貌数据；
步骤S3：筛选删除柱状晶组织生长形貌数据中的重复数据点；
步骤S4：在有限元软件ANSYS中建立柱状晶组织几何模型，导出为iges格式文件；
步骤S5：对ANSYS导出的iges格式文件进行格式转换，输出为有限元软件ABAQUS兼容的iges格式；
步骤S6：在软件ABAQUS中建立柱状晶组织有限元模型；
所述基于柱状晶组织有限元模型，设置柱状晶组织的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型的具体方法为：
一、设置柱状晶的固相粘塑性属性：
获取Anand粘塑性材料的物性参数，用以表征固相柱状晶的粘塑性属性，建立表征柱状晶组织粘塑性力学行为的本构模型，如下公式所示：
其中，s为粘塑性材料的变形阻力，s的演化方程如下公式所示：
式中，为s的演化形式，/>为等效非弹性应变；AA为Anand粘塑性材料的指前因子；QA为Anand粘塑性材料的激活能与气体常数之比；T为绝对温度；ξ为Anand粘塑性材料的应力乘数；/>为等效应力；m为Anand粘塑性材料应力的应变率敏感性；h0为Anand粘塑性材料硬化或软化常数；α为Anand粘塑性材料硬化或软化的应变率敏感性；s*为s的Anand粘塑性材料的饱和值；
二、设置柱状晶的液相属性：根据假定的液相弹性模量的取值阈值及计算收敛性要求确定弹性模量的具体数值；
所述设置柱状晶组织粘塑性变形计算的条件具体为：
(1)设置分析步Step：采用非线性静力学分析步，实现一个与时间无关的静态加载过程，产生初始应力场；然后设置粘塑性蠕变分析步，进行柱状晶的粘塑性分析计算；
(2)设置柱状晶组织液相部分和固相部分接触的相互作用：柱状晶组织粘塑性模型液相部分和固相部分接触面采用法向行为模型，接触面完全光滑，模型的法向行为设置为硬接触，并且不允许接触后分开；
(3)设置柱状晶组织粘塑性模型的边界条件：对柱状晶组织粘塑性模型的右侧边界施加位移拉伸条件，对底部边界在Y垂直方向约束其平移自由度，Z方向约束旋转自由度，左侧边界在X水平方向约束平移自由度，上部边界设置无约束条件；
(4)对柱状晶组织粘塑性模型划分网格并选择网格单元属性，优化网格质量直到网格质量达到计算精度。
2.根据权利要求1所述的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，其特征在于：所述步骤S1的具体方法为：
步骤S1.1：设置柱状晶组织生长的温度场；
步骤S1.2：设置柱状晶组织生长的溶质场；
步骤S1.3：设置柱状晶组织生长过程中固液界面的传递与演变过程。
3.根据权利要求2所述的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，其特征在于：所述步骤S1.1的具体方法为：
确定考虑溶质偏析的熔体形核过冷度△Tb，如下公式所示：
△Tb＝Tl+ml(Cl-C0)-T* (1)
Tl＝Tm+ml·C0 (2)
式中，Tm为纯铁的熔化温度，Tl为初始溶质含量C0条件下的液相线温度，T*和Cl分别为液相中局部温度和溶质含量，ml为液相线斜率；
根据预设的热条件，确定T*如下公式所示：
T*＝Tl+G·y-CR·t (3)
式中，G为温度梯度，y为新生柱状晶的核心距计算域底部元胞的垂直距离，CR为柱状晶生长的冷却速率，t为熔体凝固时间；
设定熔体的形核密度n随形核过冷度△Tb的变化率服从高斯分布函数，如下公式所示：
式中，nmax为最大形核密度，△Tn和△Tσ为熔体形核过冷度△Tb的平均值和标准差。
4.根据权利要求3所述的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，其特征在于：所述步骤S1.2的具体方法为：
通过式(5)-(7)，单独计算柱状晶组织生长液相和固相溶质扩散：
D＝Dl(1-fs)+Dsfs (7)
式中，Cl和Cs分别为液相和固相溶质含量，Ds和Dl分别为溶质在固相与液相中的扩散系数，D是根据固相率fs确定的加权溶质扩散系数，对于固相和液相元胞，D分别为Ds和Dl，X、Y为CA-FVM模型计算域的水平和垂直方向，k0是溶质再分配系数。
5.根据权利要求4所述的一种钢凝固过程柱状晶组织粘塑性拉伸变形的计算方法，其特征在于：所述步骤S1.3的具体方法为：
根据溶质通量平衡，确定柱状晶组织生长过程中固液界面的生长动力学方程，如下公式所示：
式中，Vn为固液界面法相生长速度，和/>分别为固液界面处液相和固相的平衡溶质浓度；/>的大小取决于固液界面处的局部温度和曲率，如下公式所示：
式中，Γ为合金的吉布斯-汤姆逊系数，εA为各向异性常数，为固液界面法相与x轴的夹角，θ为固相胞的生长方向，κ为固液界面曲率，由固相率fs的一阶与二阶导数确定。
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Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 9Cr18合金半固态触变压缩变形行为及组织演变;王永金;宋仁伯;宋仁峰;;金属学报(第01期);40-44 * |
| 板坯连铸结晶器内钢凝固过程热行为研究 Ⅰ.数学模型;蔡兆镇;朱苗勇;;金属学报(第06期);671-677 * |
| 炼钢与连铸过程数值模拟研究进展;朱苗勇;娄文涛;王卫领;;金属学报(第02期);131-144 * |
| 钢铁材料半固态加工技术的研究进展;王佳;何庆中;;四川理工学院学报(自然科学版)(第02期);100-103 * |
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