超算有限元分析系统SciFEA—材料行业应用解决方案

1、行业计算模拟现状

材料加工处理是一门既古老又年轻的行业，早在商周时期青铜器的制作和加工就涉及到材料的处理工艺，但真正将材料加工制备经验提升为科学技术只有近百年的历史。材料数值模拟是随着计算机的发展，将材料加工中的科学技术通过数值求解，揭示材料加工中的内在规律、总结材料加工的工艺方法也就是近几十年的时间。材料数值计算主要有两个大方向，一个是计算材料的属性，主要是材料的相图计算和物理或热物理参数计算。另一个是应用材料的属性模拟材料加工过程，例如铸造、焊接、锻造、热处理、复合材料、钣金成型等工艺，又称为材料数值模拟仿真技术。
目前材料加工制备数值模拟大部分采用通用软件，也有不少专业的数值模拟软件出现面向铸造、焊接、锻造、热处理等专门的工艺过程。但材料加工是一个多物理场耦合的复杂过程，目前的软件在处理多物理量耦合方面还存在扩展性和开放性不足的问题。这表现在增加一种新的物理场没有一个灵活的实施方案，同时对新的材料行为的认识不能自由地提供扩展接口，软件框架性的限制多。从下面的图示我们可以清晰地看到，材料加工过程的复杂性对材料计算模拟向多相多场开放式发展的巨大需求。

热处理各物理量耦合关系 铸件凝固过程模拟中的多场耦合

2、超算解决方案

SciFEA软件提供的固体（弹性、弹塑性、粘弹性）模块、流体（NS，RANS）模块；热固耦合模块、传热模块（稳态、瞬态）、固体接触模块、热接触模块、扩散模块、相变处理模块、电磁模块等，可以直接满足材料行业固体变形与应力、传热、温度、材料扩散、材料结晶相变、材料电磁加工等方面的计算需求。

超算科技可以为提供针对材料的定制模块。包括：铸件凝固过程数值模拟

通过对铸造充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟，分析缩孔、缩松、冷隔、浇不足、氧化夹渣、铸造裂纹等缺陷的形成原因分析；热处理过程温度、组织、应力/应变三方面交互作用的复杂过程计算，模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等热处理工艺过程；焊接热传导分析、焊接熔池流体动力学、电弧物理、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测、焊接应力与变形、焊接过程中的氢扩散、特殊焊接过程（电阻点焊、激光焊、摩擦焊和瞬态液相焊接）数值分析、焊接接头的力学行为；渗碳热处理、脱氢处理、半导体掺杂浓度场计算；材料锻造过程中的流动热、冷、温成型，如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。

超算科技可以针对用户需求提供扩展软件包，突破现有软件模拟限制，可以研究与开发需要考虑温度、流动、塑性、粘性、相变、应力、组织等方面的复杂耦合。

超算材料行业解决方案

针对用户分析精度的要求，超算科技提供用户定制化的并行计算模块开发和并行计算咨询服务。并行计算可以根据用户预算的情况提供基于机群的MPI并行和基于GPU的众核并行两种解决方案。

3、应用案例

气体渗碳热处理和柯肯达尔效应

为提高材料的表面韧性，金属材料需要进行渗碳渗氮处理。对于渗碳渗氮处理的合适的时间控制是改工艺的主要环节。时间短则表面性能达不到要求，时间长又会引起材料整体脆性增加。超算可以开发的材料扩散模块可以对各种材料的渗碳渗氮等扩散过程进行模拟，能计算模拟等到各不同时刻的扩散浓度和扩散深度。

渗碳热处理Cu-黄铜 扩散偶，扩散55.5天Cu原子质量分数分布图

铸件凝固过程温度场模拟

铸件温度场变化是反映铸件性能的主要指标，温度场变化直接影响铸件的宏观缺陷，如缩孔、缩松、热裂及宏观偏析等。超算科技根据铸件凝固的热物理模型，开发出考虑传导、对流、辐射、相变潜热、缩孔缩松影响的温度场、固相率场的数值模拟系统，可以反映出铸件凝固过程中温度场变化规律和铸件缺陷的主要特征。

模拟凝固10000S时的温度分布VS模拟凝固20000S时的温度分布

焊接过程传热流动过程模拟

激光焊接熔化过程是一个包括传热、流动、相变的复杂物理过程，需要处理流动过程中的压力不稳定性、温度结构的大Peclet数时的不稳定性以及熔化过程的自由面追踪等困难。结合项目要求采用速度场保持法解决了随着熔点线推移，速度场扩大的问题，通过引入压力泊松方程，增加解的稳定性。采用GLS（稳定有限元）方法求解温度的对流扩散输运方程，克服的传统有限元计算此类问题的数值稳定性问题。同时我们采用准浓度法实现自由界面的跟踪，能够清晰地标识焊锡熔化交接位置。

焊锡熔化过程

焊接不同时刻的温度结构

4、携手计算

材料行业计算在逐渐向多场多相发展，对材料科学的认识正不断被计算技术吸收融合形成理论、实验、数值模拟的综合体系，这三个方面的交叉渗透和促进给计算材料提出了许多挑战性课题。超算科技将携手广大科技工作者和工程师结合理论、实验和数值模拟共同拓展材料行业的发展。利用超算科技计算模拟技术积累，我们希望在以下具体的开发方向上和您携手进行计算模拟分析与研究。
材料相变动力学的数值模拟；
材料表面工程的的数值模拟；
材料基础理论计算模拟辅助研究；
焊接过程多相多场模拟分析；
铸造过程温度、流动、组织生长、应力模拟；
锻造过程塑性加工模拟。