دانلود رایگان ترجمه مقاله به کارگیری روش ماشین سلولی (اسپرینگر 2016)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

2. مدل و روش‌ها
2.1 انتقال حرارت ماکروسکوپیک
آزاد شدن گرمای نهان در حین انجماد فلزات ویژگی مهمی است که فرآیند انجماد را از سایر فرآیندهای رسانش حرارتی متمایز می‌کند. گرمای نهان همچنین نشان دهنده اتصال بین عوامل ماکروسکوپی و میکروسکوپی در حین انجماد است. رها شدن گرمای نهان از جوانه زنی و رشد دندریتی در میدان ماکروسکوپی استخراج می‌شود در حالی که گرمای نهان آزاد شده از رشد دندریتی بازگردانده میشود تا میدان دمایی محاسبه شود.

2.2 مدل ماشین سلولی
2.2.1 مدل جوانه زنی ناهمگن
دو راه برای مواجهه با جوانه زنی ناهمگن با هدف شبیه سازی ریز ساختار وجود دارد: جوانه‌زنی آنی و جوانه زنی مداوم. برای روش ماشین سلولی-المان محدود تابع توزیع جوانه زنی مداوم به کار رفت. با این فرض که جوانه زنی آنی می‌تواند در محدوده محل‌های ممکن است اتفاق بیفتد. اگر هیچ محل جوانه زنی درون سلول وجود نداشته باشد، جوانه‌زنی صرف‌نظر از اینکه دما چقدر کم باشد اتفاق نمی‌افتد. بلعکس، جوانه‌زنی جدید به صورت تصادفی در حجم در اثر افت دمای محلی سلولی که جوانه می‌زند، به زیر دمای بحرانی در گام زمانی داده شده شکل می‌گیرد.

.3 فرایند محاسبه
فلوچارت فرایند شبیه سازی در شکل ۱ نشان داده شده است. مدل شبکه¬ا‌ی سه بعدی ابتدا در نرم افزار Pro/E ایجاد شد. سپس میدان گرمایی در ProCAST محاسبه شد و در نهایت ساختار انجماد توسط محاسبات ماشین سلولی-المان محدود شبیه سازی شد. محاسبات ماشین سلولی-المان محدود برپایه محاسبه میدان دمایی انجام یافت که نیازمند کسر جرمی، شیب مایع، ضریب بخشی، ضرایب انتقال جرم و ضریب گیبس- تامسون است. پس از تکمیل محاسبات ماشین سلولی-المان محدود، نتایج نهایی استخراج شد.

دیاگرام شماتیک رشد سلولی اکتاهدرون در شکل ۲ نشان داده شده است. در آغاز محاسبات ماشین سلولی-المان محدود، دمای آلیاژ دمای فوق ذوب است و هر سلول توسط اندیس حالت I=0 مشخص شده است. در برخی از گام‌های زمانی، زیر انجماد جوانه زنی دانه را ارضا می‌کند، اندیس حالت I به عدد صحیح غیر صفر تبدیل می‌شود و این سلول شروع به جوانه زنی می کند. رشد سلول مبتنی بر رشد اکتاهدرون محصور توسط سطح است و به هر سلولی که اندیس حالت غیر صفر و حداقل یک سلول همسایه مایع دارد اعمال می‌شود. سپس سلول‌های اکتاهدرون مربوطه مرکز سلول یکی از همسایه‌های خود را در طی فرایند رشد می گیرند. سپس اندیس حالت سلول به اندیس حالت سلول مادر تبدیل می شود و اکتاهدرون جدید مربوط به سلول بعد رشد می کند. به محض محصول شدن کامل سلول توسط سلول های خمیری احاطه شده، رشد اکتاهدرون مربوط به آن متوقف می‌شود. قطر‌های اصلی اکتاهدرون به جهت های کریستالوگرافی مربوط بوده و موازی محور هستند. این الگوریتم مستقیم می‌تواند مکانیزم رقابتی رشد دندریتی را منعکس کند.

2.4 جفت کردن مدل المان محدود به مدل ماشین سلولی
در مدل ماشین سلولی-المان محدود ضرایب میان یابی بین نقاط گره مش المان محدود و سلولهای ماشین سلولی تعریف شده است و اثر رها شدن حرارت نهان دانه ها بر تاریخچه گرمایی محاسبه شده، معرفی شده تا توسعه میکرو ساختاری به عنوان تابعی از میدان حرارتی را تضمین کند (شکل ۳). سلول از ماشین سلولی با مرکز آن در المان محدود I به ترتیب ضرایب میان یابی غیر صفر با گره های المان محدود را دارد. این ضرایب میانیابی تعیین دما در محل‌های سلول در نقاط گرهی المان محدود را ممکن می‌کند. در نقاط گرهی، ضرایب مشابه اعمال شده و جمع شده است. سپس گرمای نهان توسط جوانه زنی، رشد و ضخیم شدن ریز ساختار دندریتی آزاد می‌شود که دما در نقاط گرهی المان محدود را به‌روز می‌کند.

3. شبیه سازی ساختار سه بعدی در آلیاژ آهن سیلسیم 5/6%
این مدل شبیه سازی با پارامترهای مش در شکل ۴ نشان داده شده است. مواد ریختگی شمش واقعی آلیاژ آهن سیلسیم 5/6% است. ترکیبات شیمیایی این آلیاژ در جدول ۱ آمده است. این ماده ریختگی در یک کوره القایی خلا ۱۰ کیلویی با محافظت آرگون ذوب شده و سپس در یک قالب فولادی قالب گیری شده است. از دو شمشی که ما تولید کردیم یکی با همرفت طبیعی و دومی با خنک کاری آبی خنک‌کاری شده‌اند. همه شرایط شبیه سازی منطبق بر شرایط تجربی بود.
در شبیه سازی قالب با مذاب به صورت آنی پر می شود. دمای مذاب ریزی فولاد ۱۷۷۳ درجه کلوین بود. در این مدل المان محدود ضریب محاسبه شده هدایت حرارتی تحت خنک‌کاری در هوا ۱۱۰ وات بر متر مربع بر درجه کلوین در خنک کاری آبی 5020 وات بر متر مربع بر درجه کلوین و تحت خنک‌کاری آهسته ۱۵ وات بر متر مربع بر درجه کلوین بود که همه از پایگاه داده های ترمودینامیکی JMatPro استخراج شده اند.