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Alsim+Alstruc:一个持续40年研发的专用数值模拟软件

已有 994 次阅读 2020-9-20 23:28 |系统分类:科研笔记

这是一篇2019年的旧文,当时中美对抗还远没有这么紧张,直到2020年6月美国禁止哈尔滨工业大学使用 Matlab,普通民众就都意识到工业软件基本被国外厂商垄断的事实,大量反思中国CAD、CAE等工业软件悲催开发历史的文章不断涌现。

其实本篇介绍的是一套应用领域十分狭窄的专用软件,起先是欧美的铝业公司专为“铝合金DC半连续铸造”开发的一套软件,以挪威海德鲁公司为主导。但却持续研发了 40余年,不断完善扩展,已发展成为企业加快新产品研发和工艺优化的有效工具。

目前这套软件仅限参与研发的几个企业和科研机构使用,不对外开发。2016年从参研企业之一的美铝(Alcoa)分拆出的奥科宁克(Arconic),仍需要重新申请授权。

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1. Alsim 和 Alstruc  

AlsimAlstruc是专用于铝合金连续和半连续铸造模拟仿真的软件系统,是挪威海德鲁铝业公司等企业和科研机构持续 40 年研发的成果,已成为这些企业的核心技术之一。Alsim主要用于流场、温度场、应力应变场等宏观物理场的模拟仿真,Alstruc则用于计算微观组织结构。两套系统相得益彰,可以实现铝合金铸造宏观物理场、缺陷以及微观组织结构的模拟计算和预测。

Alsim采用有限元技术,不但可以模拟计算DC铸造、TRC双辊连铸、轮带式连铸的流场、温度场、应力应变场,还可进一步预测铸锭热裂、冷裂、疏松,以及宏观偏析,并且可以计算出铸锭中的晶粒大小分布和二次枝晶臂间距(DAS)的分布。以温度及温度梯度、晶粒大小和DAS分布等为输入,Alstruc则可以进一步计算出第二相大小和分布、溶质浓度分布。

Alsim+Alstruc计算机模拟系统可以极大的降低新产品研发成本,缩短研发周期。一旦有新合金和新规格的开发任务,通过Alsim+Alstruc的模拟仿真,可以为实验的开展提供趋势和方向,从而大幅度减少实验次数,加速新品研发。

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2. 开发历史  

AlsimAlstruc的开发主体在挪威,其中挪威海德鲁铝业公司(Hydro)是主要出资方,挪威政府资助也是一部分资金来源,参与研发的还有挪威科技工业研究院(SINTEF)和挪威能源技术研究所(IFE)。另外,爱励铝业公司(Aleris),美国铝业公司(Alcoa)等欧美的铝业公司提供资金和资源,参与软件系统的开发以及应用。

早在20世纪70年代,计算机模拟技术刚兴起时,海德鲁铝业公司就开始研发2D版本的Alsim。因为当时有限元技术方兴未艾,商业有限元软件远不如现在成熟,再加上金属凝固过程的复杂性,所以只能自己研发计算机模拟系统。经过40余年的积累,Alsim+Alstruc系统已经积累了极其丰富的材料库,以及两相区力学模型、热裂和冷裂模型、宏观偏析模型等研发数据。目前,AlsimAlstruc仅限于参与研发的几家欧美铝企使用,形成这些企业在该领域的核心技术。

现在回过头来看,不得不佩服国外企业在40年前就能将前沿的计算机模拟技术用于铝加工行业,同样我们也要学习这种连续40余年的持续投入研发的制度。历经40多年的发展,Alsim+Alstruc的功能已经相当成熟和完善,进入21世纪,随着有限元理论和计算机硬件的高速发展,未来实现实时在线预测也未可知。

3. 应用举例

以铝加工行业应用最广泛的DC铸造为例,Alsim可以精确的计算出温度、速度、应力、应变等宏观物理场,结合热裂和冷裂模型,计算出热裂倾向和冷裂倾向,从而准确预测出在一定条件下铸锭是否开裂。

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Alsim 具有目前应用最成熟的三维宏观偏析模型。

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参考资料:

[1] Mortensen D, Fjaer H G, Lindholm D, etal. The Development of Alsim – a Modelling Tool for Direct Chill Casting, TwinRoll Casting, Wheel and Belt Casting and Chain Conveyor Casting[J]. MaterialsScience Forum, 2011: 187-195.

[2] Furu T, Steen I K. Hydro CasthouseReference Centre[J]. Materials Science Forum, 2009: 9-16.

[3] https://www.sintef.no/en/projects/primal/

-----此文2019年6月同时发布于我的个人微信公众号(Aluminum)-----

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