超算(suàn)有限元分(fēn)析系統SciFEA—材料行業應用(yòng)解決方案

1、行業計算(suàn)模拟現狀

材料加工處理(lǐ)是一門既古老又年輕的(de)行業，早在商周時(shí)期青銅器的(de)制作和(hé)加工就涉及到材料的(de)處理(lǐ)工藝，但真正将材料加工制備經驗提升爲科學技術隻有近百年的(de)曆史。材料數值模拟是随著(zhe)計算(suàn)機的(de)發展，将材料加工中的(de)科學技術通(tōng)過數值求解，揭示材料加工中的(de)内在規律、總結材料加工的(de)工藝方法也(yě)就是近幾十年的(de)時(shí)間。材料數值計算(suàn)主要有兩個(gè)大(dà)方向，一個(gè)是計算(suàn)材料的(de)屬性，主要是材料的(de)相圖計算(suàn)和(hé)物(wù)理(lǐ)或熱(rè)物(wù)理(lǐ)參數計算(suàn)。另一個(gè)是應用(yòng)材料的(de)屬性模拟材料加工過程，例如鑄造、焊接、鍛造、熱(rè)處理(lǐ)、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(fēn)采用(yòng)通(tōng)用(yòng)軟件，也(yě)有不少專業的(de)數值模拟軟件出現面向鑄造、焊接、鍛造、熱(rè)處理(lǐ)等專門的(de)工藝過程。但材料加工是一個(gè)多(duō)物(wù)理(lǐ)場(chǎng)耦合的(de)複雜(zá)過程，目前的(de)軟件在處理(lǐ)多(duō)物(wù)理(lǐ)量耦合方面還(hái)存在擴展性和(hé)開放性不足的(de)問題。這(zhè)表現在增加一種新的(de)物(wù)理(lǐ)場(chǎng)沒有一個(gè)靈活的(de)實施方案，同時(shí)對(duì)新的(de)材料行爲的(de)認識不能自由地提供擴展接口，軟件框架性的(de)限制多(duō)。從下(xià)面的(de)圖示我們可(kě)以清晰地看到，材料加工過程的(de)複雜(zá)性對(duì)材料計算(suàn)模拟向多(duō)相多(duō)場(chǎng)開放式發展的(de)巨大(dà)需求。

熱(rè)處理(lǐ)各物(wù)理(lǐ)量耦合關系 鑄件凝固過程模拟中的(de)多(duō)場(chǎng)耦合

2、超算(suàn)解決方案

SciFEA軟件提供的(de)固體（彈性、彈塑性、粘彈性）模塊、流體（NS，RANS）模塊；熱(rè)固耦合模塊、傳熱(rè)模塊（穩态、瞬态）、固體接觸模塊、熱(rè)接觸模塊、擴散模塊、相變處理(lǐ)模塊、電磁模塊等，可(kě)以直接滿足材料行業固體變形與應力、傳熱(rè)、溫度、材料擴散、材料結晶相變、材料電磁加工等方面的(de)計算(suàn)需求。

超算(suàn)科技可(kě)以爲提供針對(duì)材料的(de)定制模塊。包括：鑄件凝固過程數值模拟

通(tōng)過對(duì)鑄造充型、熱(rè)傳導、凝固過程和(hé)應力場(chǎng)的(de)模拟，分(fēn)析縮孔、縮松、冷(lěng)隔、澆不足、氧化(huà)夾渣、鑄造裂紋等缺陷的(de)形成原因分(fēn)析；熱(rè)處理(lǐ)過程溫度、組織、應力/應變三方面交互作用(yòng)的(de)複雜(zá)過程計算(suàn)，模拟正火、退火、淬火、回火、滲碳等熱(rè)處理(lǐ)工藝過程；焊接熱(rè)傳導分(fēn)析、焊接熔池流體動力學、電弧物(wù)理(lǐ)、焊接冶金和(hé)焊接接頭組織性能的(de)預測、焊接應力與變形、焊接過程中的(de)氫擴散、特殊焊接過程（電阻點焊、激光(guāng)焊、摩擦焊和(hé)瞬态液相焊接）數值分(fēn)析、焊接接頭的(de)力學行爲；滲碳熱(rè)處理(lǐ)、脫氫處理(lǐ)、半導體摻雜(zá)濃度場(chǎng)計算(suàn)；材料鍛造過程中的(de)流動熱(rè)、冷(lěng)、溫成型，如：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(hé)缺陷産生發展情況等。

超算(suàn)科技可(kě)以針對(duì)用(yòng)戶需求提供擴展軟件包，突破現有軟件模拟限制，可(kě)以研究與開發需要考慮溫度、流動、塑性、粘性、相變、應力、組織等方面的(de)複雜(zá)耦合。

超算(suàn)材料行業解決方案

針對(duì)用(yòng)戶分(fēn)析精度的(de)要求，超算(suàn)科技提供用(yòng)戶定制化(huà)的(de)并行計算(suàn)模塊開發和(hé)并行計算(suàn)咨詢服務。并行計算(suàn)可(kě)以根據用(yòng)戶預算(suàn)的(de)情況提供基于機群的(de)MPI并行和(hé)基于GPU的(de)衆核并行兩種解決方案。

3、應用(yòng)案例

氣體滲碳熱(rè)處理(lǐ)和(hé)柯肯達爾效應

爲提高(gāo)材料的(de)表面韌性，金屬材料需要進行滲碳滲氮處理(lǐ)。對(duì)于滲碳滲氮處理(lǐ)的(de)合适的(de)時(shí)間控制是改工藝的(de)主要環節。時(shí)間短則表面性能達不到要求，時(shí)間長(cháng)又會引起材料整體脆性增加。超算(suàn)可(kě)以開發的(de)材料擴散模塊可(kě)以對(duì)各種材料的(de)滲碳滲氮等擴散過程進行模拟，能計算(suàn)模拟等到各不同時(shí)刻的(de)擴散濃度和(hé)擴散深度。

滲碳熱(rè)處理(lǐ)Cu-黃(huáng)銅 擴散偶，擴散55.5天Cu原子質量分(fēn)數分(fēn)布圖

鑄件凝固過程溫度場(chǎng)模拟

鑄件溫度場(chǎng)變化(huà)是反映鑄件性能的(de)主要指标，溫度場(chǎng)變化(huà)直接影(yǐng)響鑄件的(de)宏觀缺陷，如縮孔、縮松、熱(rè)裂及宏觀偏析等。超算(suàn)科技根據鑄件凝固的(de)熱(rè)物(wù)理(lǐ)模型，開發出考慮傳導、對(duì)流、輻射、相變潛熱(rè)、縮孔縮松影(yǐng)響的(de)溫度場(chǎng)、固相率場(chǎng)的(de)數值模拟系統，可(kě)以反映出鑄件凝固過程中溫度場(chǎng)變化(huà)規律和(hé)鑄件缺陷的(de)主要特征。

模拟凝固10000S時(shí)的(de)溫度分(fēn)布VS模拟凝固20000S時(shí)的(de)溫度分(fēn)布

焊接過程傳熱(rè)流動過程模拟

激光(guāng)焊接熔化(huà)過程是一個(gè)包括傳熱(rè)、流動、相變的(de)複雜(zá)物(wù)理(lǐ)過程，需要處理(lǐ)流動過程中的(de)壓力不穩定性、溫度結構的(de)大(dà)Peclet數時(shí)的(de)不穩定性以及熔化(huà)過程的(de)自由面追蹤等困難。結合項目要求采用(yòng)速度場(chǎng)保持法解決了(le)随著(zhe)熔點線推移，速度場(chǎng)擴大(dà)的(de)問題，通(tōng)過引入壓力泊松方程，增加解的(de)穩定性。采用(yòng)GLS（穩定有限元）方法求解溫度的(de)對(duì)流擴散輸運方程，克服的(de)傳統有限元計算(suàn)此類問題的(de)數值穩定性問題。同時(shí)我們采用(yòng)準濃度法實現自由界面的(de)跟蹤，能夠清晰地标識焊錫熔化(huà)交接位置。

焊錫熔化(huà)過程

焊接不同時(shí)刻的(de)溫度結構

4、攜手計算(suàn)

材料行業計算(suàn)在逐漸向多(duō)場(chǎng)多(duō)相發展，對(duì)材料科學的(de)認識正不斷被計算(suàn)技術吸收融合形成理(lǐ)論、實驗、數值模拟的(de)綜合體系，這(zhè)三個(gè)方面的(de)交叉滲透和(hé)促進給計算(suàn)材料提出了(le)許多(duō)挑戰性課題。超算(suàn)科技将攜手廣大(dà)科技工作者和(hé)工程師結合理(lǐ)論、實驗和(hé)數值模拟共同拓展材料行業的(de)發展。利用(yòng)超算(suàn)科技計算(suàn)模拟技術積累，我們希望在以下(xià)具體的(de)開發方向上和(hé)您攜手進行計算(suàn)模拟分(fēn)析與研究。
材料相變動力學的(de)數值模拟；
材料表面工程的(de)的(de)數值模拟；
材料基礎理(lǐ)論計算(suàn)模拟輔助研究；
焊接過程多(duō)相多(duō)場(chǎng)模拟分(fēn)析；
鑄造過程溫度、流動、組織生長(cháng)、應力模拟；
鍛造過程塑性加工模拟。