电磁场对铝硅合金结构与力学性能影响的分子动力学模拟

随着汽车工业的飞速发展，具有优越再循环特性及良好力学性能的铝硅合金得到了广泛的研究和应用。利用电磁场的多种功能对铝硅合金进行晶粒细化、改善力学性能有着明显的优越性。而有关电磁场作用下铝硅合金熔体微观结构的变化特点及演化过程的机理研究至今空白。本项目根据MAXWELL方程组用有限元法计算磁场的分布，设计和组装磁场发生器，制备电磁场作用下铝硅合金，揭示微观形貌和力学性能随电磁场的变化规律；建立团簇模型，采用分子动力学方法给出铝硅合金在外场作用下的势能模型，对无外场和有外场条件下铝硅合金的径向分布函数进行模拟计算，并用统计物理学的方法计算相应力学量，分析其作用机理；与实验结果相比较，验证在外场作用下势能函数的可靠性，给出不同电磁场作用下铝硅合金原胞构象，进一步优化电磁工艺参数，为外场与介质相互作用的机理研究奠定基础。

本项目首先采用解析近似法求解了圆电流在空间产生的磁场，进而讨论了导体在圆电流产生的交变电磁场作用下的受力情况，在此基础上，以磁流体力学方程为依据，在进行适当简化下利用ANSYS有限元软件建立铝硅合金半固态电磁铸造的磁流耦合场模型，通过数值模拟计算了电磁场对流场和温度场的影响。以ZL102铝硅合金为研究对象，在中频感应炉中进行了电磁分离实验，发现合金边缘处α-Al相和共晶硅相中硅元素含量明显高于中心位置，边缘处共晶硅相破碎效果更显著。同时项目从电磁铸造约束成型的基本原理出发，即必须满足电磁压力与液柱静压力相平衡，建立金属电磁铸造成型可行性无量纲判据。该判据与理论求解及数值计算结果相互吻合。此外，项目组研究了电磁铸造中广泛使用的电磁搅拌的磁流耦合问题。针对两相四极、三相六极和行波磁场三类电磁搅拌器进行了数值计算，结合相关电磁场理论对金属熔体的磁流耦合特性进行了分析讨论。上述研究为电磁铸造的高效工业应用提供了理论指导。