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解決方案

材料行業(yè)

編輯:超算網(wǎng)絡(luò )信息中心 信息來(lái)源:本站原創(chuàng ) 發(fā)布時(shí)間:2010年02月11日 瀏覽次

超算有限元分析系統SciFEA—材料行業(yè)應用解決方案

1、行業(yè)計算模擬現狀

材料加工處理是一門(mén)既古老又年輕的行業(yè),早在商周時(shí)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(jīng)驗提升為科學(xué)技術(shù)只有近百年的歷史。材料數值模擬是隨著(zhù)計算機的發(fā)展,將材料加工中的科學(xué)技術(shù)通過(guò)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(shí)間。材料數值計算主要有兩個(gè)大方向,一個(gè)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(gè)是應用材料的屬性模擬材料加工過(guò)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(chēng)為材料數值模擬仿真技術(shù)。
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(zhuān)業(yè)的數值模擬軟件出現面向鑄造、焊接、鍛造、熱處理等專(zhuān)門(mén)的工藝過(guò)程。但材料加工是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的復雜過(guò)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(kāi)放性不足的問(wèn)題。這表現在增加一種新的物理場(chǎng)沒(méi)有一個(gè)靈活的實(shí)施方案,同時(shí)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(guò)程的復雜性對材料計算模擬向多相多場(chǎng)開(kāi)放式發(fā)展的巨大需求。

熱處理各物理量耦合關(guān)系,材料行業(yè)應用解決方案鑄件凝固過(guò)程模擬中的多場(chǎng)耦合,材料行業(yè)應用解決方案
熱處理各物理量耦合關(guān)系 鑄件凝固過(guò)程模擬中的多場(chǎng)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(tài)、瞬態(tài))、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(mǎn)足材料行業(yè)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(guò)程數值模擬

通過(guò)對鑄造充型、熱傳導、凝固過(guò)程和應力場(chǎng)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(guò)程溫度、組織、應力/應變三方面交互作用的復雜過(guò)程計算,模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等熱處理工藝過(guò)程;焊接熱傳導分析、焊接熔池流體動(dòng)力學(xué)、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(guò)程中的氫擴散、特殊焊接過(guò)程(電阻點(diǎn)焊、激光焊、摩擦焊和瞬態(tài)液相焊接)數值分析、焊接接頭的力學(xué)行為;滲碳熱處理、脫氫處理、半導體摻雜濃度場(chǎng)計算;材料鍛造過(guò)程中的流動(dòng)熱、冷、溫成型,如:材料流動(dòng)、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動(dòng)、金屬微結構和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。

超算科技可以針對用戶(hù)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(kāi)發(fā)需要考慮溫度、流動(dòng)、塑性、粘性、相變、應力、組織等方面的復雜耦合。

超算,材料行業(yè)應用解決方案
超算材料行業(yè)解決方案

針對用戶(hù)分析精度的要求,超算科技提供用戶(hù)定制化的并行計算模塊開(kāi)發(fā)和并行計算咨詢(xún)服務(wù)。并行計算可以根據用戶(hù)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(jìn)行滲碳滲氮處理。對于滲碳滲氮處理的合適的時(shí)間控制是改工藝的主要環(huán)節。時(shí)間短則表面性能達不到要求,時(shí)間長(cháng)又會(huì )引起材料整體脆性增加。超算可以開(kāi)發(fā)的材料擴散模塊可以對各種材料的滲碳滲氮等擴散過(guò)程進(jìn)行模擬,能計算模擬等到各不同時(shí)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(yè)應用解決方案 擴散55.5天Cu原子質(zhì)量分數分布圖,材料行業(yè)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(zhì)量分數分布圖

鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)模擬

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

模擬凝固10000S時(shí)的溫度分布VS模擬凝固20000S時(shí)的溫度分布,材料行業(yè)應用解決方案
模擬凝固10000S時(shí)的溫度分布VS模擬凝固20000S時(shí)的溫度分布

焊接過(guò)程傳熱流動(dòng)過(guò)程模擬

激光焊接熔化過(guò)程是一個(gè)包括傳熱、流動(dòng)、相變的復雜物理過(guò)程,需要處理流動(dòng)過(guò)程中的壓力不穩定性、溫度結構的大Peclet數時(shí)的不穩定性以及熔化過(guò)程的自由面追蹤等困難。結合項目要求采用速度場(chǎng)保持法解決了隨著(zhù)熔點(diǎn)線(xiàn)推移,速度場(chǎng)擴大的問(wèn)題,通過(guò)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(lèi)問(wèn)題的數值穩定性問(wèn)題。同時(shí)我們采用準濃度法實(shí)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(guò)程,材料行業(yè)應用解決方案

焊錫熔化過(guò)程
焊接不同時(shí)刻的溫度結構,材料行業(yè)應用解決方案
焊接不同時(shí)刻的溫度結構

4、攜手計算

材料行業(yè)計算在逐漸向多場(chǎng)多相發(fā)展,對材料科學(xué)的認識正不斷被計算技術(shù)吸收融合形成理論、實(shí)驗、數值模擬的綜合體系,這三個(gè)方面的交叉滲透和促進(jìn)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(shí)驗和數值模擬共同拓展材料行業(yè)的發(fā)展。利用超算科技計算模擬技術(shù)積累,我們希望在以下具體的開(kāi)發(fā)方向上和您攜手進(jìn)行計算模擬分析與研究。
材料相變動(dòng)力學(xué)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(guò)程多相多場(chǎng)模擬分析;
鑄造過(guò)程溫度、流動(dòng)、組織生長(cháng)、應力模擬;
鍛造過(guò)程塑性加工模擬。

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