铝合金铸造过程中铸件—模具界面换热系统的反分析求解

摘要

随着铸造CAE技术的应用和发展，现在不仅可以模拟铸造宏观过程，还可以预测缺陷甚至组织及其力学性能。在铸造过程中，铸件与铸型界面的换热直接影响着铸件凝固的温度场变化，影响铸件的冷却顺序，因此间接的影响了铸件凝固缺陷的产生；界面换热系数也直接影响铸件的冷却速率，从而影响着铸件的微观组织和最终力学性能等。而预测缩孔、缩松、裂纹和偏析等缺陷都是建立在凝固温度场模拟的基础上。准确模拟凝固温度场需要准确的材料热物性参数、符合实际工艺的初始条件和边界条件等参数，而铸件与模具的界面换热系数是影响仿真精度最为关键的参数，因其难以通过实验直接获得，是影响铸造CAE技术推广应用的关键参数之一。
　　本文针对铝合金金属模具界面的换热系数进行研究，利用反热传导方法进行界面换热系数的反求，并将反求得到的界面换热系数应用到微观组织模拟，并得到了实验验证。主要工作如下：
　　1)设计凝固测温实验装置，并进行凝固测温实验。分别实施了浇注温度为620℃、650℃、680℃、700℃、720℃的凝固测温实验，得到随时间变化的温度数据，并进行误差分析和处理得到反求的已知条件温度数据。
　　2)利用ProCAST建立反求模型，将换热系数定位随时间变化的11个参数，并采用虚拟仿真的温度数据作为反求的已知条件对反求模型进行虚拟验证。
　　3)将凝固测温实验中的三个测温点的温度数据作为反求的已知数据，另外两个测温点的温度数据作为验证数据，分别求出五组不同浇注温度下随时间变化的界面换热系数，研究表明随着浇注温度的升高，界面换热系数的峰值越大，界面换热系数的峰值在4500W/m2□K以上，随着凝固的结束，界面换热系数的值都趋近于550W/m2□K～750W/m2□K之间。
　　4)设计复杂界面的模型，将其等效为一个界面换热系数，进行凝固测温实验并反求得到界面换热系数，将反求得到的界面换热系数应用到微观组织模拟的温度场计算，并将组织模拟结果与实验金相进行对比分析，得到了比较好的应用效果。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 铸造CAE的研究概况

1.2.1 铸造CAE的研究内容

1.2.2 铸造CAE的研究概况

1.2.3 铸造CAE目前存在的问题

1.3 铸造界面换热系数的研究概况

1.3.1 铸造界面换热系数

1.3.2 影响铸造界面换热系数的因素

1.3.3 界面换热系数的研究概况

1.4 热传导反求的研究概况

1.5 本文的研究目的及其内容

1.5.1 本文的研究目的

1.5.2 本文的研究内容

第2章 铸造凝固过程的测温实验

2.1 实验方案与装置

2.2 测温系统设计

2.2.1 测温仪器

2.2.2 测温热电偶

2.2.3 铸造凝固实验过程

2.3 测温结果与误差分析

2.3.1 测温结果

2.3.2 测温误差分析

2.4 本章小结

第3章 界面换热系数的反求模型的建立

3.1 热传导反问题

3.1.1 热传导反问题的特点

3.1.2 热传导反问题的难点

3.2 凝固过程的有限元分析

3.2.1 传热的基本方式

3.2.2 铸造凝固导热微分方程

3.2.3 初始条件

3.2.4 边界条件

3.2.5 铸件/铸型界面换热热阻

3.2.6 凝固潜热的处理

3.3 基于ProCAST反分析法求解界面换热系数

3.3.1 反热传导法求解换热系数的流程

3.3.2 反热传导法求解换热系数模型的建立

3.3.3 反求解换热系数模型的验证

3.4 本章小结

第4章 铸件-模具界面换热系数的求解与分析

4.1 铸件-模具界面换热系数的反求

4.1.1 浇注温度为620℃的界面换热系数反求

4.1.2 浇注温度为650℃的界面换热系数反求

4.1.3 浇注温度为680℃的界面换热系数反求

4.1.4 浇注温度为700℃的界面换热系数反求

4.1.5 浇注温度为720℃的界面换热系数反求

4.2 浇注温度对界面换热系数的影响

4.3 本章小结

第5章 界面换热系数的应用

5.1 凝固测温实验

5.2 反求界面换热系数

5.3 反求界面换热系数应用

5.4 实验验证微观组织模拟结果

5.5 本章小结

结 论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录