超声辐射杆纵横振动对铝熔体空化及细晶区域影响

摘要

在铝合金超声铸造过程中，超声振动系统辐射杆与金属熔体接触并向熔体传递超声，其振动特性将直接影响熔体中声场分布及空化区域，进而对凝固组织细化产生影响。本文主要针对超声辐射杆纵向与横向振动对熔体空化与凝固组织细化影响，开展下列研究:
　　1.采用激光测距仪对铸造用超声振动系统辐射杆进行了振动测试，基于比值校正法对振动序列进行幅值谱校正后得到超声辐射杆端面与侧面的振幅分布。测试结果表明:超声振动系统辐射杆以纵向振动为主，辐射杆侧面存在较强横向振动，最大振动幅值约为端面纵振幅值1/2。
　　2.基于ANSYS对超声振动系统进行了动力学仿真，通过模态分析与谐响应分析对振动测试结果进行了讨论。建立了流体区域有限元模型，对不同超声施振深度下水及铝熔体中声压场进行了有限元仿真，得到了超声辐射杆端面与侧面近场区域声压幅值分布。仿真结果表明:超声辐射杆纵向与横向振动分别在端面与侧面产生声辐射区，在铝熔体中侧面最大声压幅值约为端面声压幅值1/3。
　　3.分析了流体介质空化阈值的影响因素，结合声压场仿真结果对不同超声施振深度下水及铝熔体中空化区域进行了估计。分别进行了水中铝箔空蚀试验以及铝熔体中辐射杆空蚀试验，对空化区域估计进行了验证，获得超声辐射杆纵横振动下流体介质空化区域大小与分布特征。结果表明:超声辐射杆纵向与横向振动均能使铝熔体产生空化，随着施振深度增加，铝熔体中辐射杆端面与侧面空化区域随之增大。
　　4.对超声施振深度为10mm，40mm与70mm三种不同工况进行了铝合金超声铸造试验，取铸锭截面二分之一进行全区域取样分析，得到了铸锭截面等轴晶与树枝晶分布区域。试验结果表明:不同超声施振深度下，辐射杆端面以下区域均能得到细小等轴晶;施振深度为40mm与70mm时，辐射杆端面上方区域凝固组织也能得到有效细化;施振深度为70mm时，铸锭晶粒细化区域最大。分析表明超声辐射杆侧面横向振动能够扩大端面以上有效细晶区域。
　　上述研究，初步分析了超声辐射杆纵横振动对铝熔体空化与细晶区域影响，这对铸造用超声振动系统辐射杆设计以及铝熔体中超声能量的高效利用具有一定指导意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 功率超声处理熔体技术发展状况

1．2．1 功率超声对金属熔体的作用效果

1．2．2 功率超声对熔体凝固组织的作用机制

1．3 超声空化效应研究状况

1．3．1 空化在流体介质中的产生条件

1．3．2 空化效应对熔体凝固影响

1．4 铸造用超声振动系统研究现状

1．5 论文课题来源、研究意义及主要内容

1．5．1 课题背景与来源

1．5．2 研究意义与主要内容

2 超声辐射杆纵横振动测试

2．1 引言

2．2 测试系统建立

2．2．1 测量设备与对象

2．2．2 测试方案

2．3 振动信号处理方法

2．3．1 频谱校正法选择

2．3．2 直流分量滤除

2．3．3 MATLAB程序编写与仿真

2．4 测试结果及分析

2．4．1 超声辐射杆端面幅频特性

2．4．2 超声辐射杆振幅分布

2．5 本章小结

3 超声振动系统动力学特性与流体介质声压场仿真

3．1 引言

3．2 超声振动系统有限元分析基本理论

3．2．1 结构动力学分析原理

3．2．2 声场流—固耦合分析原理

3．3 超声振动系统动力学特性仿真

3．3．1 模型建立

3．3．2 单元选取与网格划分

3．3．3 模型加载与求解

3．3．4 仿真结果与分析

3．4 流体介质声压场仿真

3．4．1 流体区域有限元模型建立

3．4．2 流体材料属性

3．4．3 边界条件与模型加载

3．4．4 仿真结果与分析

3．5 本章小结

4 超声施振下流体介质空化场估计与试验

4．1 引言

4．2 流体介质超声空化阈值与空化场估计

4．3 流体介质超声空化区域测定方法

4．4 水中铝箔空蚀试验

4．4．1 试验设备与材料

4．4．2 试验方案

4．4．3 试验结果与分析

4．5 铝熔体中辐射杆空蚀试验

4．5．1 试验设备与材料

4．5．2 试验方案

4．5．3 试验结果与分析

4．6 本章小结

5 铝合金超声铸造试验

5．1 引言

5．2 试验材料及装置

5．3 试验步骤与取样方案

5．4 试验结果与讨论

5．5 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 主要研究工作及结论

6．2 研究中存在的问题及展望

参考文献

附录

攻读学位期间的主要研究成果

致谢