金属型铸造凝固过程中界面热交换系数的研究

摘要

随着铸造工艺中计算机技术成功应用，越来越多的计算机用户希望能够用一个准确的边界参数可以一用仿真来指导实践生产，铸造凝固过程的数值模拟是铸CAE的核心内容，也是预测铸件缺陷及其组织、力学性能的基础。界面参数的精确性直接影响铸造仿真的可靠性，不准确的界面换热系数模拟出来的结果可能与实际情况大相径庭，进而影响了铸造CAE指导生产，更不可能预测铸造组织和力学性能。
　　本文选用铝合金A356作为铸件材料，在多种条件下进行了凝固测温实验。在反问题数学模型的基础上，利用有限元分析软件 Procast，将实验过程中采集的温度场数据作为输入参数，对金属型铸造凝固过程的温度场进行模拟分析，各种条件下重力铸造实验中铸件-模具界面换热系数进行了求解。得到了以下主要结论：
　　①铸件凝固过程中的界面换热系数变化大致可分为快速上升、快速下降、低值维持三个阶段。浇铸完成后，界面换热系数快速上升至峰值。随着铸件凝固层的增厚，收缩加剧，与冷端接触形式逐渐由完全接触转变为局部接触，界面空气间隙产生，导致换热系数快速下降。凝固末期，铸件与模具的接触情况保持稳定，换热系数趋于稳定。
　　②通过对比铸型表面无涂料和铸型表面有涂料两次实验的界面换热系数反求结果可以得出，冷端涂料的使用导致了界面换热系数峰值及稳定值的降低，并延长浇注完成后界面换热系数到达峰值的时间。
　　③本文定性分析了求解热传导反问题的一些困难：求解计算量极大、非线性、不适定性。设计了合理的测温方案（测温系统）。就影响界面热交换系数的两大因素涂料和浇注温度，设计了4组测温实验。本文基于反求分析法建立了求解铸造过程中铝合金与金属模具的界面热交换系数的数学模型，并通过测温实验测量了准确的温度场，通过测量的温度场反求获得了界面热交换系数。

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目录

1 绪 论

1.1课题的背景及意义

1.2铸造CAE的研究概况

1.3界面换热系数的研究概况

1.4本文研究的目的

1.5本章小结

2 传热学的理论基础

2.1 热传导换热

2.2 热对流换热

2.3 热辐射换热

2.4本章小结

3 非稳态法（反求法）求解界面换热系数

3.1热传导反问题

3.2 凝固过程中三维温度场数学模型及定解问题

3.3凝固过程结晶潜热的处理

3.4本章小结

4 反求法求解铸造凝固过程中的温度测量

4.1 实验方案及实验设计

4.2实验装置

4.3测温结果和测温误差分析

4.4本章小结

5 基于procast反求法的热交换系数求解

5.1反求法求解热交换系数的流程

5.2 反热传导法求解热交换系数的数学模型建立

5.3热交换系数反求分析模型的验证

5.4热交换系数求解

5.5涂料和浇注温度对界面换热系数的影响

5.6 本章小结

6 结论及展望

6.1结论

6.2 后续工作和展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：