超算有限元分析系統SciFEA—材料行業應用解決方案

1、行業計算模擬現狀

材料加工處理是一門既古老又年輕的行業，早在商周時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驗提升為科學技術只有近百年的歷史。材料數值模擬是隨著計算機的發展，將材料加工中的科學技術通過數值求解，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間。材料數值計算主要有兩個大方向，一個是計算材料的屬性，主要是材料的相圖計算和物理或熱物理參數計算。另一個是應用材料的屬性模擬材料加工過程，例如鑄造、焊接、鍛造、熱處理、復合材料、鈑金成型等工藝，又稱為材料數值模擬仿真技術。
目前(qian)材(cai)料加(jia)工制(zhi)備(bei)數(shu)值模(mo)擬大部分(fen)采用通用軟件，也有(you)不(bu)少專(zhuan)業的(de)(de)(de)(de)(de)數(shu)值模(mo)擬軟件出現(xian)面(mian)向鑄造(zao)、焊接(jie)(jie)、鍛造(zao)、熱處理(li)等專(zhuan)門的(de)(de)(de)(de)(de)工藝過程。但材(cai)料加(jia)工是一(yi)個(ge)多(duo)(duo)物理(li)場耦(ou)合(he)的(de)(de)(de)(de)(de)復雜(za)過程，目前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)軟件在(zai)處理(li)多(duo)(duo)物理(li)量耦(ou)合(he)方面(mian)還存在(zai)擴展(zhan)性和(he)開(kai)放(fang)(fang)性不(bu)足的(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題。這表現(xian)在(zai)增加(jia)一(yi)種新的(de)(de)(de)(de)(de)物理(li)場沒有(you)一(yi)個(ge)靈(ling)活的(de)(de)(de)(de)(de)實施方案(an)，同時(shi)對(dui)新的(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料行(xing)為(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)認識(shi)不(bu)能自由地提供擴展(zhan)接(jie)(jie)口，軟件框架性的(de)(de)(de)(de)(de)限制(zhi)多(duo)(duo)。從(cong)下面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)圖示我(wo)們可以清晰地看(kan)到，材(cai)料加(jia)工過程的(de)(de)(de)(de)(de)復雜(za)性對(dui)材(cai)料計算(suan)模(mo)擬向多(duo)(duo)相多(duo)(duo)場開(kai)放(fang)(fang)式發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)(de)巨(ju)大需求。

熱處理各物理量耦合關系 鑄件凝固過程模擬中的多場耦合

2、超算解決方案

SciFEA軟件提供的固(gu)體(ti)(ti)（彈性(xing)(xing)、彈塑性(xing)(xing)、粘彈性(xing)(xing)）模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、流體(ti)(ti)（NS，RANS）模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)；熱(re)(re)固(gu)耦合(he)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、傳熱(re)(re)模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)（穩態、瞬態）、固(gu)體(ti)(ti)接(jie)觸模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、熱(re)(re)接(jie)觸模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、擴散模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、相變處(chu)理模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)、電磁模(mo)(mo)(mo)塊(kuai)等(deng)，可以直接(jie)滿足(zu)材料(liao)(liao)行業固(gu)體(ti)(ti)變形與(yu)應(ying)力(li)、傳熱(re)(re)、溫度(du)、材料(liao)(liao)擴散、材料(liao)(liao)結晶相變、材料(liao)(liao)電磁加工(gong)等(deng)方面的計算需求。

超算科技可(ke)以(yi)為提供針(zhen)對材料的定(ding)制(zhi)模塊。包括：鑄(zhu)件凝固過程數值(zhi)模擬

通過(guo)對鑄(zhu)造(zao)充(chong)型(xing)、熱(re)(re)(re)傳導(dao)、凝固過(guo)程(cheng)和應(ying)力(li)場的(de)(de)模(mo)(mo)擬，分析縮(suo)孔、縮(suo)松、冷隔、澆不足、氧化(hua)夾渣、鑄(zhu)造(zao)裂紋等(deng)缺(que)陷的(de)(de)形(xing)成原因分析；熱(re)(re)(re)處(chu)理過(guo)程(cheng)溫(wen)度、組織、應(ying)力(li)/應(ying)變三方面交互作用的(de)(de)復雜(za)過(guo)程(cheng)計(ji)算，模(mo)(mo)擬正火、退火、淬火、回火、滲碳(tan)等(deng)熱(re)(re)(re)處(chu)理工(gong)藝過(guo)程(cheng)；焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熱(re)(re)(re)傳導(dao)分析、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)熔池流體動(dong)力(li)學、電弧物理、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)冶金和焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭組織性能的(de)(de)預測、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)應(ying)力(li)與變形(xing)、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)氫擴散、特殊焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)過(guo)程(cheng)（電阻點焊(han)(han)、激(ji)光焊(han)(han)、摩擦焊(han)(han)和瞬態液相焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)）數值(zhi)分析、焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)接(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)(jie)頭的(de)(de)力(li)學行為；滲碳(tan)熱(re)(re)(re)處(chu)理、脫氫處(chu)理、半導(dao)體摻雜(za)濃度場計(ji)算；材料鍛(duan)(duan)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)(de)流動(dong)熱(re)(re)(re)、冷、溫(wen)成型(xing)，如(ru)：材料流動(dong)、模(mo)(mo)具填充(chong)、鍛(duan)(duan)造(zao)負荷、模(mo)(mo)具應(ying)力(li)、晶粒流動(dong)、金屬(shu)微結(jie)構(gou)和缺(que)陷產生發展情況等(deng)。

超算科技可以(yi)(yi)針對用戶(hu)需(xu)(xu)求提(ti)供擴(kuo)展軟件(jian)包，突破現有軟件(jian)模擬(ni)限制，可以(yi)(yi)研究與(yu)開發需(xu)(xu)要考(kao)慮溫度(du)、流動(dong)、塑性、粘(zhan)性、相變、應力、組織(zhi)等(deng)方面的復(fu)雜耦合(he)。

超算材料行業解決方案

針對用(yong)戶分析精度的(de)要求，超算(suan)(suan)(suan)科(ke)技提供用(yong)戶定制化的(de)并行(xing)計(ji)算(suan)(suan)(suan)模塊開發和并行(xing)計(ji)算(suan)(suan)(suan)咨詢(xun)服務。并行(xing)計(ji)算(suan)(suan)(suan)可以根據用(yong)戶預算(suan)(suan)(suan)的(de)情況提供基于(yu)機(ji)群的(de)MPI并行(xing)和基于(yu)GPU的(de)眾(zhong)核(he)并行(xing)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(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)表面(mian)韌性，金屬材料(liao)(liao)(liao)(liao)需(xu)要(yao)進行滲(shen)碳滲(shen)氮(dan)處(chu)理。對(dui)于滲(shen)碳滲(shen)氮(dan)處(chu)理的(de)合(he)適(shi)的(de)時(shi)間(jian)控制是改工藝的(de)主要(yao)環節。時(shi)間(jian)短(duan)則表面(mian)性能達(da)不到(dao)要(yao)求(qiu)，時(shi)間(jian)長又會引起(qi)材料(liao)(liao)(liao)(liao)整體脆性增(zeng)加。超算可(ke)(ke)以開發(fa)的(de)材料(liao)(liao)(liao)(liao)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)模塊可(ke)(ke)以對(dui)各(ge)種材料(liao)(liao)(liao)(liao)的(de)滲(shen)碳滲(shen)氮(dan)等擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)過程進行模擬，能計(ji)算模擬等到(dao)各(ge)不同時(shi)刻的(de)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)濃度和(he)擴(kuo)(kuo)(kuo)(kuo)散(san)(san)深度。

滲碳熱處理Cu-黃銅 擴散偶，擴散55.5天Cu原子質量分數分布圖

鑄件凝固過程溫度場模擬

鑄件(jian)(jian)溫(wen)度(du)(du)場(chang)(chang)變(bian)化是反映(ying)鑄件(jian)(jian)性能的(de)(de)主要指標，溫(wen)度(du)(du)場(chang)(chang)變(bian)化直接影(ying)響(xiang)鑄件(jian)(jian)的(de)(de)宏(hong)觀缺陷(xian)，如(ru)縮(suo)孔(kong)、縮(suo)松、熱裂及宏(hong)觀偏析等(deng)。超算科(ke)技根(gen)據鑄件(jian)(jian)凝(ning)固的(de)(de)熱物理模型，開發出考慮傳導、對流、輻(fu)射、相(xiang)變(bian)潛熱、縮(suo)孔(kong)縮(suo)松影(ying)響(xiang)的(de)(de)溫(wen)度(du)(du)場(chang)(chang)、固相(xiang)率場(chang)(chang)的(de)(de)數值模擬系(xi)統，可以反映(ying)出鑄件(jian)(jian)凝(ning)固過程中(zhong)溫(wen)度(du)(du)場(chang)(chang)變(bian)化規律和鑄件(jian)(jian)缺陷(xian)的(de)(de)主要特征。

模擬凝固10000S時的溫度分布VS模擬凝固20000S時的溫度分布

焊接過程傳熱流動過程模擬

激(ji)光(guang)焊接熔(rong)化(hua)過(guo)程是一個包括傳熱、流(liu)動、相(xiang)變的復雜(za)物(wu)理過(guo)程，需要處理流(liu)動過(guo)程中的壓力不(bu)穩(wen)(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)性、溫度(du)結(jie)構的大(da)Peclet數(shu)時的不(bu)穩(wen)(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)性以(yi)及(ji)熔(rong)化(hua)過(guo)程的自由(you)面追(zhui)蹤(zong)等困難(nan)。結(jie)合項(xiang)目要求采用速度(du)場保持法解(jie)決了隨著熔(rong)點線推移，速度(du)場擴(kuo)大(da)的問題，通(tong)過(guo)引入壓力泊松(song)方(fang)程，增加解(jie)的穩(wen)(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)性。采用GLS（穩(wen)(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)有(you)(you)限元）方(fang)法求解(jie)溫度(du)的對流(liu)擴(kuo)散輸運方(fang)程，克服的傳統(tong)有(you)(you)限元計算此類問題的數(shu)值穩(wen)(wen)(wen)(wen)定(ding)(ding)性問題。同時我們采用準濃度(du)法實(shi)現(xian)自由(you)界面的跟蹤(zong)，能夠清晰(xi)地標(biao)識焊錫熔(rong)化(hua)交接位置。

焊錫熔化過程

焊接不同時刻的溫度結構

4、攜手計算

材料行業計算在逐漸向多場多相發展，對材料科學的認識正不斷被計算技術吸收融合形成理論、實驗、數值模擬的綜合體系，這三個方面的交叉滲透和促進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、實驗和數值模擬共同拓展材料行業的發展。利用超算科技計算模擬技術積累，我們希望在以下具體的開發方向上和您攜手進行計算模擬分析與研究。
材料相變動力學的數值模擬；
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；
焊接過程多相多場模擬分析；
鑄造過程溫度、流動、組織生長、應力模擬；
鍛造(zao)過程塑(su)性加工模(mo)擬。