正常晶粒长大的数值模拟

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1、摘要本文在正常晶粒长大过程的计算机模拟中引入遗传算法，并通过对遗传算法(GA)、蒙特卡罗法(MC)、元胞自动机(CA)模拟正常晶粒长大过程的研究进行了比较，同时将不同算法应用于模拟实际闪光对焊焊接HAZ奥氏体晶粒长大过程中。基于MC方法中的随机提取单元进行再取向尝试，所有单元全部提取并完成一次再取向尝试记为一个MCS模型的改进，模拟结果表明：晶粒长大指数11达到O．48--0．51，晶粒半径分布、晶粒面积分布符合Weibull分布，晶粒边数分布统计具有5、6边形最多等特点，平均晶粒边数为5．832。MC法模拟具有热

2、力学意义明确、熟力学统计结果较好、晶粒长大指数较好等优点。但它随机性因素较强，模型缺乏物理机制和明确的物理意义、拓扑学分析结果统计与理论偏差相对较大。利用现有CA方法模拟正常晶粒长大过程的结果表明：晶粒长大指数仅为0．39-0．41；模拟的晶粒半径、晶粒面积分布均符合Weibull函数分布形式，平均晶粒边数为6．042；5、6、7边形晶粒出现频率最多。CA方法的模型具有良好的物理机制；模拟的拓扑学分析统计结果较好；程序柔性较好，模拟效率高。其缺点为模拟的热力学统计结果较差，晶粒长大指数低。．本文将遗传算法引入正常晶

3、粒长大过程模拟，建立基于正常晶粒长大动力学原理的遗传规则和基于能量最小原理的适应度函数，模拟结果表明：系统热力学状态稳定；模拟的晶粒长大指数n为0．45-0．48；晶粒半径分布、晶粒面积分布符合Weibull函数分布形式；晶粒边数分布也符合晶粒长大实际过程，’具有6边形晶粒出现频率最多，5边形、7边形晶粒出现频率次之，而且不同GAS边数分布具有自相似性等特点，平均晶粒边数为5．9237GA法做为一种新引入的方法，有待于进一步完善，该算法相对复杂，模拟效率相对较低。GA方法的模型既具有明确的物理机制。又有热力学意义；

4、模拟结果得出了较好的晶粒长大指数和拓扑学统计数据；算法具有很好的柔性，能通过对遗传规则和适应度函数设置来模拟实际条件下的晶粒长大过程。三种算法的模拟过程和模拟结果表明其都能成功地模拟出正常晶粒长大过程，模拟过程中系统热力学、动力学、拓扑结构学上都具有相似性，且三种算法之间具有稳定性。同一初始组织结构用不同算法进行模拟后其组织结构具有稳定和相似性。将三种算法用于模拟等温、变温条件下的晶粒长大过程。通过建立晶粒长大的等温模型计算三种不同算法在相同的实验条件下得到的模拟步，以此值进行三种算法的模拟演化，结果显示了晶粒的形

5、态和相关参数基本一致。基于45钢轴对称件闪光对焊焊接的实测温度场研究了焊接HAZ奥氏体晶粒长大，在确定模型常数基础上，结合焊接热循环对晶粒长大影响，根据相关模型确定了三种算法的模拟时间步ss与实际时间t、实测温度T(0之间的关系方程，再现了焊接HAZ晶粒长大的动态演变过程。模拟结果均表明：焊接热循环过程中温度梯度使焊接HAZ中晶粒长大尺寸仅为整体加热时的65*／,-70％，焊接熟循环的加热阶段对晶粒长大的贡献为25％-。30％左右；粗晶区实测和MC、CA、GA模拟的晶粒半径分别为54．30／am和54．291a'n

6、、51．501．tin、51．501．ma；细晶区实测和三种模拟的晶粒半径分别为13．58rma和16．86¨．m、16，541am、16．29rma，不同算法的模拟结果和实测的结果基本吻合。基于晶界的连续性，确定晶界特征拓扑学结构，提出了统计晶粒尺寸、个数的改进方法，实现了模拟过程中晶粒尺寸、个数的精确统计，消除了因统计误差给结果分析带来的影响。关键词：晶粒长大；遗传算法；蒙特卡罗法；元胞自动机；计算机模拟；焊接HAZABSTRACTTheGtm甜cAlgorithmmethodisinlrodueedinthe

7、processof伊aingrowthandstudie$inOA,MC．CAsimulatetheprocessofgraingrowthw∽comparedinthispaper．Differentalgorithmisappliedtosimulatetheaustcnite础growthinactualweldHAZflashbuttweldingr矛ocess。BasedOiltheimprovementoftheMCmodelwhichusingrandomselectunitattempttore-o

8、rientate．aMCSiscompletedwhenallunitshasbeenselectedandcompleteallattempttore-orientate．Thesil31ul血Jonresultsshowthatthegraingrowthexponentn=o．48t0O．51：grainl"ddiusdislributionandgr