發(fā)布時間：2021-10-29 21:32

　　相場法是在計算材料學中發(fā)展最快的一種強大的計算方法,以基本的熱力學和動力學為輸入,可用于模擬和預測材料的介觀尺度形貌和微觀結構的演變。首先總結了相場模型的歷史發(fā)展、物理基礎、數(shù)學表達及其數(shù)值求解,其次分析了相場法在純物質、二元合金、多組分系統(tǒng)以及定向凝固、增材制造等領域中的應用情況,最后對相場法進行了總結及展望,并指出相場法發(fā)展應趨向于超大尺度相場模擬技術,更高效算法的開發(fā),相場模型與熱力學、動力學數(shù)據(jù)庫的結合,工業(yè)應用的探索以及與實驗觀察技術的進一步結合。 

【文章來源】：鋼鐵研究學報. 2020,32(10)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

等溫條件下從高度過飽和的二元熔體中

通常對于材料建模有2種觀點:宏觀和微觀。純物質凝固過程相變的宏觀描述可以追溯到19世紀的Stefan。系統(tǒng)的基本方程式稱為尖銳界面模型或Stefan模型[44-46]:對于無量綱的溫度場u=(T-T∞)/(L/cp),其中u為無量綱溫度;T為局部溫度;T∞為遠場溫度;L為熔化潛熱;cp為定壓比熱容。其擴散方程為:?u ?t =D? 2 u?????? ??? (1)

對微觀結構建模的擴散界面方法具有大尺度分離的特點,相邊界的厚度在納米級,而微觀結構的特征通常在微米甚至毫米的尺度上才能觀察到,因此通常要解決跨越幾個數(shù)量級的問題。此外,由于相場和擴散場的變化通常在界面區(qū)域上,這促進了能夠跟蹤相邊界遷移的自適應網格的發(fā)展。Provatas等[62]提出了在二維自適應非結構化網格上樹枝晶生長的有限元解決方法,在其自適應代碼中,實現(xiàn)了動態(tài)四叉樹的數(shù)據(jù)結構。Tonhardt和Amberg[63-65]使用自適應三角網格上的有限元方法研究了對流對樹枝晶生長的影響,該代碼也被用于模擬二元合金的樹枝狀凝固[61]。Braun和Murray[66]使用一般的自適應有限差分技術耦合相場模型進行了計算。Lan等[67-68]展示了有限體積方法在自適應四邊形網格上進行二維模擬樹枝晶生長的潛力。Do-Quang等[69]進行了二維和三維自適應有限元代碼的并行化。Greenwood等[70]介紹了一種新的三維MPI并行自適應網格算法,并用其對微觀結構形成的自由邊界問題進行了研究。Guo等[71-75]也針對不同的研究問題,利用了并行自適應網格算法來求解三維相場方程。此外,Chen和Shen[76]提出使用半隱式傅立葉譜方法來計算以遠程彈性相互作用為主導的系統(tǒng)的演化。Shimokawabe等[77]利用TSUBAME 2.0超級計算機,在超大規(guī)模下采用新的模擬技術對二元合金的復雜樹枝晶生長進行了模擬,實際模擬結果可見圖2。(3)相場建模的軟件框架:

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號：3465433