(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210679701.7 (22)申请日 2022.06.15 (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园1号 (72)发明人 许庆彦　夏鹄翔　冯秋水　 (74)专利代理 机构 北京林达刘知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11277 专利代理师 刘新宇 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) C30B 11/00(2006.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 螺旋选晶器结构优化方法及装置 (57)摘要 本公开涉及一种螺旋选晶器结构优化方法 及装置， 该方法包括： 基于元胞自动机算法和有 限差分数值模拟算法， 构建算法模型； 根据预设 螺旋选晶器的铸件参数和预设定向凝固工艺参 数， 构建包括对应于预设螺旋选晶器的选晶器模 型的物理结构 模型； 将物理结构 模型导入算法模 型并进行参数设置； 根据预设定向凝固工艺参数 和算法模型， 进行针对各选晶器模 型在定向凝固 过程中的组织三维生长形貌预测， 得到各预设螺 旋选晶器对应的预测结果； 根据预测结果展示各 预设螺旋选晶器对应的组织三维生长形貌。 本公 开基于对选晶器组织的三维模拟， 缩短了螺旋选 晶器结构设计的优化周期， 避免了基于传统实验 方法的工艺设计中资金与人力成本 较高的问题。 权利要求书2页 说明书12页 附图8页 CN 114997017 A 2022.09.02 CN 114997017 A 1.一种螺 旋选晶器结构优化方法， 其特 征在于， 包括： 基于元胞自动机算法和有限差分数值模拟算法， 构建算法模型， 所述算法模型用于预 测螺旋选晶器在定向凝固过程中的组织 三维生长形貌； 根据至少一个预设螺旋选晶器的铸件参数和预设定向凝 固工艺参数， 构建对应的物 理 结构模型， 所述物理结构模型包括对应于所述预设螺 旋选晶器的选晶器模型； 将所述物理结构模型导入所述 算法模型， 并对所述物理结构模型进行参数设置； 根据所述预设定向凝 固工艺参数和所述算法模型， 进行针对各所述选晶器模型在定向 凝固过程中的组织 三维生长形貌预测， 得到各 所述预设螺 旋选晶器对应的预测结果； 根据所述预测结果， 展示各 所述预设螺 旋选晶器对应的组织 三维生长形貌 。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述铸件参数包括尺寸参数和构 成所述预 设螺旋选晶器的合金的组分参数； 所述预设定向凝固工艺 参数包括抽拉速度和浇注温度； 其中， 所述物理结构模型包括对应于激冷盘的激冷盘模型、 对应于加热炉部件的加热 炉模型、 对应于型壳部件的型壳模型、 对应于定 向凝固炉的定 向凝固炉模型和对应于外部 辐射环境部件的环境部件 模型中的部分或全部 。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特征在于， 将所述物理结构模型导入所述算法模型， 并对所述物理结构模型进行参数设置， 包括： 将所述物理结构模型导入所述算法模型后， 根据 预设热力学参数和边界条件对所述物 理结构模型进行参数设置； 其中， 所述预设热力学参数包括以下参数中的部分或全部： 所述预设螺旋选晶器的热 力学参数、 所述激冷盘的热力学参数、 所述型壳部件的热力学参数； 所述热力学参数包括以 下参数中的部分或全部： 热导 率、 密度、 固相线温度、 液相线温度、 潜热和组分参数； 所述边界条件 包括定向凝固过程中不同界面之间的换 热系数。 4.根据权利要求2或3所述的方法， 其特征在于， 根据所述预设定向凝固工艺参数和所 述算法模型， 进行针对各所述选晶器模型在定 向凝固过程中的组织三维生长形貌预测， 得 到各所述预设螺 旋选晶器对应的预测结果， 包括： 设定所述选晶器模型定向凝固过程中有限差分网格的尺寸； 设定对所述选晶器模型的多个有限差分网格中与糊状区相关的有限差分网格进行再 网格划分后得到的单 元网格的尺寸； 在所述选晶器模型的底面布设对应数量的初始晶粒； 根据所述预设定向凝固工艺参数、 所述算法模型、 所述有限差分网格以及所述单元网 格， 对各所述选晶器模型在定 向凝固过程中的温度和组织三维生长形貌进行预测， 得到各 所述预设螺 旋选晶器对应的预测结果； 其中， 所述与糊状区相关的有限差分网格包括： 处于所述糊状区的目标有限差分网格 层、 处于所述糊状区上方且与所述糊状区相 邻的液相区中的部 分或全部液相有限差 分网格 层、 处于所述糊状区下方且与所述糊状区相 邻的固相区中的部 分或全部固相有限差 分网格 层。 5.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 在所述选晶器模型的底面布设对应数量的 初始晶粒， 包括： 按照对应于所述组分参数的金属液体在所述激冷盘处形核的物 理特性， 采用异质形核权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114997017 A 2算法预测晶粒的产生情况， 并基于所述产生情况设置布设初始晶粒的目标 数量； 基于所述目标 数量， 在所述选晶器模型底面的布设对应数量的初始晶粒。 6.根据权利要求4所述的方法， 其特征在于， 对各所述选晶器模型在定向凝 固过程中的 温度和组织 三维生长形貌进行 预测， 得到各 所述预设螺 旋选晶器对应的预测结果， 包括： 根据所述目标有限差分网格层、 至少部分所述液相有限差分网格层和至少部分所述固 相有限差分 网格层内的有限差 分网格分别对应的第一温度， 计算出所述目标有限差 分网格 层中各单元网格对应的第二温度； 根据所述目标有限差分网格层中各单元网格对应的第 二温度进行组织凝固计算， 得到 所述目标有限差分网格层对应的三维形貌预测结果； 在确定对所述目标有限差分网格层的组织凝固计算完成后， 进行下一目标有限差分网 格层的组织凝固计算， 直至计算出每个有限差分网格层对应的三维形貌预测结果， 并将所 述选晶器模型 的每个有限差分网格层对应的三维形貌预测结果作为所述预设螺旋选晶器 的预测结果。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特征在于， 对各所述选晶器模型在定向凝 固过程中的 温度和组织 三维生长形貌进行 预测， 得到各 所述预设螺 旋选晶器对应的预测结果， 还 包括： 按照预设时间间隔进行针对各所述选晶器模型的温度场预测， 得到各所述选晶器模型 的每个所述有限差分网格对应的第一温度； 其中， 温度场预测是基于能量方程、 热传导定律和 辐射换热定律进行的。 8.根据权利要求6或7所述的方法， 其特征在于， 根据所述目标有限差分网格层、 至少部 分所述液相有限差分网格层和至少部分所述固相有限差分网格层内的有限差分网格分别 对应的第一温度， 计算出 所述目标有限差分网格层中各 单元网格对应的第二温度， 包括： 基于与目标有限差分网格层中待计算有限差分网格相邻的部分或全部有限差分网格 的第一温度， 采用差值 算法计算出待计算有限差分网格中各 单元网格的第二温度。 9.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 不同的预设螺旋选晶器的尺寸参数不同， 所述尺寸 参数包括螺 旋线直径、 螺径和螺 旋升角。 10.一种螺 旋选晶器结构优化装置， 其特 征在于， 包括： 算法模型构建模块， 基于元胞自动机算法和有限差分数值模拟算法， 构建算法模型， 所 述算法模型用于预测螺 旋选晶器在定向凝固过程中的组织 三维生长形貌； 物理结构模型构建模块， 根据至少一个预设螺旋选晶器的铸件参数和预设定向凝 固工 艺参数， 构建对应的物理结构模型， 所述物理结构模型包括对应于所述预设螺旋选晶器的 选晶器模型； 导入模块， 将所述物理结构模型导入所述算法模型， 并对所述物理结构模型进行参数 设置； 生长形貌预测模块， 根据所述预设定向凝固工艺参数和所述算法模型， 进行针对各所 述选晶器模型在定向凝固过程中的组织三维生长形貌预测， 得到各所述预设螺旋选晶器对 应的预测结果； 生长形貌展示模块， 根据所述预测结果， 展示各所述预设螺旋选晶器对应的组织三维 生长形貌 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114997017 A 3