Page 59 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第二章 数值模拟基础理论与方法

进行了仿真模拟，发现合理选择形变速率对涡轮盘的再结晶和晶粒细化有重要作
用。为了方便研究合金在锻造过程中的晶粒演变，可利用数值模拟的方法。景阳
端在研究工艺条件对 GH4698 涡轮盘的锻造晶粒细化的影响时进行了数值模拟，

研究了不同部位晶粒在锻造过程中的演化过程。
（四）数值模拟的其他应用
数值模拟不只是被运用在热变形的典型工艺过程，对一些高温合金也可以采
用数值模拟确定其合适的热处理参数以提高合金产品的性能和减少成本。国为民
等利用数值模拟计算了 FGH95 粉末高温合金锻件的热处理温度和淬火应力场，

并与实测值进行了对比，具有较高的相符性。张立文等对金属材料的激光相变
硬化处理进行了模拟，建立了平板类工件和圆柱体类工件激光相变硬化处理过程
的三维传热学模型以及圆柱体大锻件淬火过程的传热学及相变耦合模型。随着学
者的研究，数值模拟技术被逐渐应用在热处理领域，数值模拟可以预测处理后的

金属强度和残余应力以及微观组织的分布，也为热处理中冷却介质的选择提供了
依据。
有限元数值模拟技术已经广泛应用于高温合金的热挤压、热轧制、锻造等热
加工领域。数值模拟在热变形上的应用使热变形工艺从定性描述转变成定量预测；
为材料的加工工艺和优选方案提供了基础；使热加工从传统的靠经验实验纠错法
推进到模拟设计与精确预测。目前，有限元技术的发展趋势是不断提高模拟效率

和精度，同时提高数值模拟的分析能力，由宏观模拟向微观精确模拟发展。

第二节 计算流体力学（CFD）与多物理场耦合模型

一、计算流体力学的发展

（一）计算流体力学的发展
计算流体力学（CFD）的发展起源于飞机制造领域。飞机初始速度较低，忽

略了气流产生的涡流的影响。因此，选择的流动模型是拉普拉斯方程，主要用叠
加法求解。随着飞机外形设计技术的发展，需要考虑气流对粘性的影响。在这种
情况下，流动模型是势方程，主要用迭代法求解。由于计算流体动力学的全过程
主要是基于偏微分方程，大多数数学家主要研究偏微分方程相关的理论、概念和
特征，并提出了双曲型偏微分方程。此后，相关专业的研究者们提出了确定流体

43