基于有限差分法的铸件凝固过程热应力场数值模拟的研究

摘要

该研究紧密结合学科前沿和生产实际,充分利用该课题组成熟的有限差分技术以及商品化软件成果-InteCAST/华铸CAE,走完全自主开发的道路,首次采用有限差分法(FDM)对铸造过程热应力场进行了三维数值模拟研究,开发了基于微机和Windows平台的通用化、实用化的FDM/FDM铸件热应力场数值模拟原型系统,可以用来模拟铸件残余应力的形成和预测热裂产生的倾向.采用FDM进行铸件热应力场模拟,可使热分析和应力分析采用相同的FD网格模型,从而避免了FDM/FEM等不同模型之间的结点匹配问题以及减少由此产生的单元温度载荷传递误差.首次使得流动场、温度场、应力场统一于差分模式下,从而使华铸CAE软件从流动场、温度场到应力场全部采用FMD,除几何建模外不依赖于任何其它商品化软件,自成体系,进一步促进了该软件的商品化,更适合中国铸造厂家的实际情况,因此,该研究具有重要的理论意义,同时也具有良好的应用前景.作者用典型的栅形应力框试件和θ形应力框试件对所开发的FDM/FDM热应力数值模拟系统进行了校核.最后,作者利用所开发的FDM/FDM热应力数值模拟系统对减速箱箱体和槽板铸钢件进行了温度场、应力场模拟分析.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1选题的背景及意义

1.2铸造过程热应力场数值模拟研究的发展概况

1.2 1国内外研究现状

1.2.2应力分析数理模型

1.2.3铸件/铸型(芯)边界条件处理

1.2.4材质高温力学性能

1.3数值计算方法的研究

1.4论文的主要研究内容及技术路线

1.5小结

2铸造过程热应力场数理模型分析

2.1前言

2.2铸造过程热应力场的特性

2.2.1铸造热应力

2.2.2热—力耦合效应

2.3热弹塑性理论及力学模型分析

2.3.1基本假设

2.3.2弹塑性力学中的几个基本待求变量

2.3.3平衡微分方程

2.3.4几何方程

2.3.5物理方程

2.3.6变形协调方程

2.3.7边界条件

2.3.8塑性力学特点及简化力学模型

2.3.9屈服准则(屈服条件)

2.3.10广义应力与广义应变

2.3.11加载与卸载

2.3.12基于增量理论的弹塑性—蠕变本构方程

2.4小结

3基于FDM铸件热应力场数值模拟系统的研究

3.1前言

3.2 FDM/FDM铸件热应力场数值模拟分析的技术路线与解析方法

3.2.1铸件热应力场数值模拟的技术路线

3.2.2数值解析方法

3.3 FDM温度场解析

3.4基于FDM采用位移法求解热应力场问题

3.4 1以位移变量表示的平衡方程的导出

3.4.2有限差分法FDM

3.4.3 FDM应力场分析边界处理方法

3.4.4 FDM应力场分析中采用的中心差分与端点差分公式

3.4.5平衡方程组的差分离散化

3.5 FDM应力场数值模拟系统的建立

3.5.1采用FDM分析铸造热应力的总体设计方案

3.5.2关键技术问题及其解决方案

3.5.3程序流程图与程序的编制

3.6各种高温力学性能参数数据库的建立

3.7小结

4FDM/FDM热应力场数值模拟系统在典型试件上的校核

4.1前言

4.2应用FDM热应力场数值模拟系统进行模拟分析的基本步骤

4.2.1 FDM铸件温度场分析

4.2.2 FDM铸件应力场分析

4.3典型试件的选取

4.4栅形应力框试件温度场、热应力场数值模拟与残余应力校核

4.4.1温度场数值模拟

4.4.2应力场数值模拟及残余应力校核

4.5 θ形应力框试件温度场、热应力场数值模拟与残余应力校核

4.5.1温度场数值模拟

4.5.2应力场数值模拟及残余应力校核

4.6小结

5FDM温度场、应力场数值模拟系统的实验验证

5.1前言

5.2实验方案

5.2.1典型应力框试件的选取

5.2.2造型

5.2.3测温仪器与设备

5.2.4浇注测温

5.2.5应力测量方案

5.2.6残余应力测量结果

5.3实验结果分析

5.4小结

6FDM热应力场模拟分析系统在实际铸件上的应用

6.1前言

6.2减速箱铸钢件的热应力场模拟

6.3槽板铸件应力场数值模拟

6.4 小结

7主要结论

致谢

参考文献

附录1(作者在攻读博士学位期间发表的论文)

附录2(弹性应变增量式推导)