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基于BDF2-AB2的钢铸件凝固多物理场耦合模拟方法OA

A BDF2-AB2-Based Multiphysics Coupled Simulation Method for Steel Casting Solidification

中文摘要英文摘要

钢铸件凝固过程数值模拟对于缺陷预测与工艺优化具有重要意义,但其强非线性特性对算法稳定性与计算效率提出了严峻挑战.为此,本研究提出一种基于BDF2-AB2混合时间积分格式的多物理场耦合求解方法,详细介绍了数学模型建立及数值离散方法,并将其与经典显式欧拉法进行了对比.结果表明,在相同网格规模下,BDF2-AB2方法的单步计算成本与显式欧拉法相当,且在稳定性方面具有显著优势.显式欧拉法在时间步长增至0.000 5 s时发生数值失稳,而BDF2-AB2格式在步长达到0.01 s时才发生数值失稳,其稳定步长上限约为显式欧拉法的20倍.在工程算例中,BDF2-AB2方法能够准确模拟三维铸锭的凝固过程及宏观偏析行为,可为铸件凝固过程的高效、高精度数值模拟提供有效的计算手段.

Numerical simulation of the solidification process of steel castings plays a crucial role in defect prediction and process optimization.However,the strong nonlinearity of the governing equations poses significant challenges to the stability and efficiency of numerical algorithms.This study proposes a multiphysics coupled solution method based on the BDF2-AB2 hybrid time integration scheme,provides a detailed introduction to the establishment of mathematical models and numerical discretization methods,and compares it with the classical explicit Euler method.The results show that,under comparable mesh resolutions,the computational cost per time step of BDF2-AB2 method is similar to that of the explicit Euler method,and exhibits a significant advantage in numerical stability.The explicit Euler method becomes unstable when the time step increases to 0.000 5 s,while the BDF2-AB2 scheme shows numerical stability until the time step reaches 0.01 s,with a maximum stable time step approximately 20 times larger than that of the explicit Euler method.In engineering applications,the proposed BDF2-AB2 method can successfully capture the solidification process and macro segregation behavior of three-dimensional steel ingots,and provide an efficient and reliable computational framework for high-fidelity numerical simulation of casting solidification processes.

李嘉韦;潘思源;江北竹;张宇昕;石宇航;殷亚军;李文;沈旭;周建新

华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074||华中科技大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074||华中科技大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074||华中科技大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074||华中科技大学材料科学与工程学院,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074||华中科技大学软件学院,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074华中科技大学材料成形与模具技术全国重点实验室,湖北 武汉 430074

矿业与冶金

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《铸造》 2026 (8)

869-876,8

重点产品、工艺"一条龙"应用计划方向"铸造工艺全流程仿真软件"项目.

10.27014/j.cnki.zhuzao.2026.0112

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