Napredno brezmrežno modeliranje in simulacija razvoja mikrostrukture za vrhunske kovinske izdelke

Razvoj mikrostrukture pri litju kovinskih izdelkov pomembno vpliva na kakovost strjenega materiala. Zato je napovedovanje razvoja mikrostrukture ključnega pomena za načrtovanje in proizvodnjo visokokakovostnih ulitkov za znanstveno, medicinsko in industrijsko uporabo. Namen podoktorskega projekta je izboljšati fizikalno modeliranje ulivanja, zlasti polkontinuirnega ulivanja aluminijevih zlitin in kontinuirnega ulivanja jekla. Primarni poudarek projekta je nadgradnja že implementiranih fizikalnih modelov za napovedovanje razvoja mikrostrukture med ulivanjem. Drugi bistveni cilj projekta je nadgradnja prilagodljivega brezmrežnega rešitvenega postopka za natančno in učinkovito modeliranje razvoja mikrostrukture. Projekt predstavlja logično nadaljevanje zaključenih aplikativnih raziskovalnih projektov: L2-6775 Simulacija industrijskih procesov strjevanja pod vplivom elekromagnetnih polj, L2-9246 Večfizikalno in večnivojsko numerično modeliranje za konkurenčno kontinuirno ulivanje, MARTINA Materiali in tehnologije za nove aplikacije, MARTIN Modeliranje termomehanske obdelave aluminijevih zlitin za vrhunske izdelke. Vodja projekta je pri omenjenih projektih sodeloval kot doktorski študent. Sorazvil je mikroskopski in mezoskopski fizikalni model za napovedovanje razvoja zrnatosti med litjem aluminijevih zlitin in jekla. Prvi cilj projekta je nadgradnja adaptivnega algoritma za reševanje modelov faznega polja (FP). Glavna filozofija prilagodljivega algoritma je dinamično zagotavljanje najvišje prostorsko-časovne ločljivosti na razvijajoči se meji med trdno in kapljevito fazo in najnižjo ločljivost v notranjosti faz. Na ta način zmanjšamo računsko zapletenost problema in hkrati ohranimo natančnost. Za modeliranje z metodo FP se trenutno uporablja brezmrežni 2-D na štiriškem drevesu osnovan prostorsko-časovno prilagodljiv rešitveni postopek. Algoritem bo v okviru projekta nadgrajen na 3-D z uporabo prilagodljivosti osnovani na osmiškem drevesu. Drugi cilj projekta je implementacija večkristalnega modela FP za strjevanje kovinskih zlitin. 2-D model celičnih avtomatov trenutno simulira večkristalno strjevanje. Model FP bo najprej implementiran v 2-D in nato še v 3-D. Končni cilj projekta je vključitev 3-D večkristalnega modela FP v večfizikalni in večnivojski simulacijski sistem za podrobno napovedovanje pojavov strjevanja med litjem kovinskih izdelkov. Sistem upošteva enačbe za ohranjanje mase, gibalne količine, toplote in koncentracije topljencev na makroskopskem nivoju. Model celičnih avtomatov in model FP se uporabljata za simulacijo razvoja mikrostrukture na mezoskopskem in mikroskopskem nivoju v 2-D. Makroskopski model zagotavlja temperaturo in kemijsko zgodovino mezoskopskemu in mikroskopskemu modelu. V okviru podoktorskega projekta bosta 2-D mezoskopski in 2-D mikroskopski model nadomeščena s 3-D modelom FP. Razvit prostorsko-časovno prilagodljiv algoritem, ki temelji na osmiškem drevesu, bo omogočil, da se računsko zahtevne 3-D simulacije z metodo FP na mezoskopskem merilu izvajajo v sprejemljivih računskih časih. Glavna izvirnost podoktorskega projekta je v povezovanju prostorsko-časovnih prilagodljivih algoritmov, ki temeljijo na osmiškem drevesu v 3-D in štiriškem drevesu v 2-D, z lokalnimi brezmrežnimi metodami za natančno in računsko učinkovito modeliranje večkristalnega dendritskega strjevanja z metodo FP. Ta edinstven numerični pristop bo predstavljal najsodobnejše simulacijsko orodje za napovedovanje razvoja mikrostrukture med ulivanjem kovinskih izdelkov. Rezultati projekta bodo objavljeni v visoko uvrščenih znanstvenih revijah in predstavljeni na mednarodnih konferencah s področja numeričnega modeliranja in strjevanja.