铸件/铸型界面换热系数及其在铸件凝固温度场数值分析中的处理研究

摘要

铸件/铸型界面的热交换是决定热量传递的主要因素,是决定铸件凝固速度的控制因素,而铸件的凝固速度同铸件的内部质量是紧密相关的。在应用计算机模拟铸件凝固过程的研究中,铸件/铸型界面换热条件的处理对整个模拟结果有着很大的影响。
　　 本文通过运用传热学相关理论,建立了用来研究铸件与金属铸型界面换热特性及界面电学特性的通用实验装置,并利用该装置在稳态传热下,对A356铝合金铸件与金属型界面之间的换热特性及界面电特性进行了实验研究。结果表明：在冷却过程中,铸件内、外界面的换热系数变化规律完全相反,目前采用相同换热系数的凝固模拟界面换热条件处理方法与实际差别较大；在研究温度范围内,A356/模具外型界面换热系数随时间的增加而减小,近似呈线性关系；A356/模具内芯界面换热系数随时间增加而增大,近似呈抛物线关系。实验研究还发现界面换热系数同界面的电特性之间存在一定的对应关系,可以通过测试铸型/铸件界面的电流、电压以及电阻得到界面换热系数,为界面换热系数测试提供了新的途径。铸件与铸型间不是目前多数计算假定的理想接触。铸件将热量传给铸型,从而使整个系统的温度发生变化,由于铸件各部分在冷却过程中的收缩而产生位移,位移的产生将会影响到铸件与铸型的气隙层,从而影响到铸件与铸型的热边界条件,进而影响到系统的温度场。温度场又反过来作用位移场。铸造过程中的温度场和位移场是相互影响的,在铸件凝固数值分析过程中可以采用基于温度/位移双向实时耦合计算界面换热条件。本文在金属/铸型界面换热特性试验的基础上,针对无铸芯铸件提出了基于温度/位移双向实时耦合计算界面换热条件的全差分铸件凝固数值分析方法,编制了相关计算程序。
　　 本研究应用定值界面换热系数方法,改变界面换热系数的大小,对圆柱形铸铁件及22吨钢锭特征点的冷却温度变化进行了研究,结果表明：界面换热系数设置较大值时,在模具中的点的模拟冷却曲线高于实际测量冷却曲线,在铸件中的点的模拟冷却曲线低于实际测量冷却曲线；界面换热系数设置较小值时,在模具中的点的模拟冷却曲线低于实际测量冷却曲线,在铸件中的点的模拟冷却曲线高于实际测量冷却曲线；界面换热系数设置中间值时,冷却初始阶段铸件的模拟冷却曲线高于实际测量冷却曲线,冷却后期铸件的模拟冷却曲线低于实际测量冷却曲线。找到一个与实际一致的定值换热系数计算的冷却曲线是困难的。采用定值界面换热系数计算的模拟冷却曲线在铸件表面区域与实际误差更大。模型、物性参数、初始条件与定值界面换热系数模拟方法一致,采用基于温度/位移耦合计算界面换热系数的模拟方法计算计算了圆柱形铸铁件及22吨钢锭特征点的冷却曲线。与采用不同定值换热系数计算得到的冷却曲线相比,采用基于温度/位移耦合计算界面换热系数模拟方法计算得到的冷却曲线与实际测量得到的冷却曲线更接近。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 选题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 铸件凝固数字模拟的研究进展

1.2.2 热物性参数测试技术

1.2.3 铸件/铸型界面的换热

1.3 论文的研究目的、研究内容及创新

1.3.1 本文的研究目的

1.3.2 本文的主要研究内容

1.3.3 本文的主要创新点

2 铸件/铸型界面换热系数的稳态径向热流法测量

2.1 测试原理

2.2 测试装置的设计

2.2.1 铸型模具

2.2.2 加热及保温系统

2.2.3 测温系统

2.2.4 界面电参数测试电路

2.3 实验过程

2.4 实验结果与分析

2.4.1 铸件、铸型、型芯温度随时间的变化

2.4.2 铸件/型芯界面的换热系数

2.4.3 铸件/铸型界面的换热系数

2.4.4 铸件/铸型界面与铸件/型芯界面的换热系数对比

2.4.5 界面换热系数与界面电流、电压以及电阻的关系

2.5 铸件/铸型界面换热分析

2.6 本章小结

3 温度场、位移场数值分析的数理模型

3.1 数值计算方法的选取

3.2 导热方程的差分方法

3.2.1 热传导偏微方程建立

3.2.2 初始条件及边界条件处理

3.2.3 潜热的处理

3.2.4 差分方程的建立

3.2.5 差分方程稳定性条件

3.3 采用位移法求解热应力场的有限差分法

3.3.1 平衡微分方程式的离散化

3.3.2 应力场模拟的初始条件和边界条件处理

3.3.3 材料高温力学性能

3.3.4 应力场模拟的其他技术问题

3.4 本章小结

4 双向实时耦合计算界面换热条件的软件实现

4.1 温度场计算流程

4.2 界面换热系数的计算流程

4.3 位移场计算流程

4.4 耦合计算流程

4.5 软件界面及操作过程

4.5.1 软件界面

4.5.2 操作过程

4.6 本章小结

5 在铸件凝固数值分析上的应用

5.1 圆柱形铸铁件冷却温度场研究

5.1.1 温度场的测试

5.1.2 温度场的数值分析

5.2 大型钢锭温度场研究

5.2.1 温度场的测试

5.2.2 温度场的数值分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续工作的展望

致谢

参考文献

附录

A.攻读博士学位期间发表的论文

B.攻读博士学位期间取得的科研成果

C.攻读博士学位期间参加的科研项目