超算有限元分析系統SciFEA—材料行業應用解決方案

1、行業計算模拟現狀

材料加工處理是一門(mén)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(jiù)涉及到材料的處理工藝，但(dàn)真正将材料加工制備經驗提升爲科學技術隻有近百年的曆史。材料數值模拟是随着計算機的發展，将材料加工中的科學技術通過數值求解，揭示材料加工中的内在規律、總結材料加工的工藝方法也就(jiù)是近幾十年的時間。材料數值計算主要有兩個大(dà)方向，一個是計算材料的屬性，主要是材料的相(xiàng)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拟材料加工過程，例如(rú)鑄造、焊接、鍛造、熱處理、複合材料、钣金成型等工藝，又稱爲材料數值模拟仿真技術。
目前材料加工制備數值模拟大(dà)部分采用通用軟件，也有不少專業的數值模拟軟件出現面向鑄造、焊接、鍛造、熱處理等專門(mén)的工藝過程。但(dàn)材料加工是一個多物理場耦合的複雜過程，目前的軟件在處理多物理量耦合方面還(hái)存在擴展性和開放(fàng)性不足的問題。這表現在增加一種新的物理場沒有一個靈活的實施方案，同時對新的材料行爲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，材料加工過程的複雜性對材料計算模拟向多相(xiàng)多場開放(fàng)式發展的巨大(dà)需求。

熱處理各物理量耦合關系 鑄件凝固過程模拟中的多場耦合

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（穩态、瞬态）、固體接觸模塊、熱接觸模塊、擴散模塊、相(xiàng)變處理模塊、電磁模塊等，可以直接滿足材料行業固體變形與應力、傳熱、溫度、材料擴散、材料結晶相(xiàng)變、材料電磁加工等方面的計算需求。

超算科技可以爲提供針對材料的定制模塊。包括：鑄件凝固過程數值模拟

通過對鑄造充型、熱傳導、凝固過程和應力場的模拟，分析縮孔、縮松、冷(lěng)隔、澆不足、氧化夾渣、鑄造裂紋等缺陷的形成原因分析；熱處理過程溫度、組織、應力/應變三方面交互作用的複雜過程計算，模拟正火(huǒ)、退火(huǒ)、淬火(huǒ)、回火(huǒ)、滲碳等熱處理工藝過程；焊接熱傳導分析、焊接熔池流體動力學、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、焊接過程中的氫擴散、特殊焊接過程（電阻點焊、激光(guāng)焊、摩擦焊和瞬态液相(xiàng)焊接）數值分析、焊接接頭的力學行爲；滲碳熱處理、脫氫處理、半導體摻雜濃度場計算；材料鍛造過程中的流動熱、冷(lěng)、溫成型，如(rú)：材料流動、模具填充、鍛造負荷、模具應力、晶粒流動、金屬微結構和缺陷産生發展情況等。

超算科技可以針對用戶需求提供擴展軟件包，突破現有軟件模拟限制，可以研究與開發需要考慮溫度、流動、塑性、粘性、相(xiàng)變、應力、組織等方面的複雜耦合。

超算材料行業解決方案

針對用戶分析精度的要求，超算科技提供用戶定制化的并行計算模塊開發和并行計算咨詢服務。并行計算可以根據用戶預算的情況提供基于機群的MPI并行和基于GPU的衆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

爲提高材料的表面韌性，金屬材料需要進行滲碳滲氮處理。對于滲碳滲氮處理的合适的時間控制是改工藝的主要環節。時間短(duǎn)則表面性能達不到要求，時間長又會引起材料整體脆性增加。超算可以開發的材料擴散模塊可以對各種材料的滲碳滲氮等擴散過程進行模拟，能計算模拟等到各不同時刻的擴散濃度和擴散深度。

滲碳熱處理Cu-黃(huáng)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拟

鑄件溫度場變化是反映鑄件性能的主要指标，溫度場變化直接影(yǐng)響鑄件的宏觀缺陷，如(rú)縮孔、縮松、熱裂及宏觀偏析等。超算科技根據鑄件凝固的熱物理模型，開發出考慮傳導、對流、輻射、相(xiàng)變潛熱、縮孔縮松影(yǐng)響的溫度場、固相(xiàng)率場的數值模拟系統，可以反映出鑄件凝固過程中溫度場變化規律和鑄件缺陷的主要特征。

模拟凝固10000S時的溫度分布VS模拟凝固20000S時的溫度分布

焊接過程傳熱流動過程模拟

激光(guāng)焊接熔化過程是一個包括傳熱、流動、相(xiàng)變的複雜物理過程，需要處理流動過程中的壓力不穩定性、溫度結構的大(dà)Peclet數時的不穩定性以及熔化過程的自由面追蹤等困難。結合項目要求采用速度場保持法解決了随着熔點線推移，速度場擴大(dà)的問題，通過引入壓力泊松方程，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問題的數值穩定性問題。同時我們采用準濃度法實現自由界面的跟蹤，能夠清晰地标識焊錫熔化交接位置。

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(xiàng)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、數值模拟的綜合體系，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。超算科技将攜手廣大(dà)科技工作者和工程師結合理論、實驗和數值模拟共同拓展材料行業的發展。利用超算科技計算模拟技術積累，我們希望在以下具體的開發方向上和您攜手進行計算模拟分析與研究。
材料相(xiàng)變動力學的數值模拟；
材料表面工程的的數值模拟；
材料基礎理論計算模拟輔助研究；
焊接過程多相(xiàng)多場模拟分析；
鑄造過程溫度、流動、組織生長、應力模拟；
鍛造過程塑性加工模拟。