原位Al2O3P/ZL109复合材料活塞成型过程的计算机模拟

摘要

本文应用UG软件对原位Al2O3P/ZL109复合材料活塞建模，确定工艺参数；应用ProCAST软件对金属型重力铸造及间接挤压铸造活塞成型过程进行模拟，仿真结晶晶粒大小，针对性研究间接挤压铸造中异质核心对基体合金晶粒尺寸的影响；依据FLUENT流体力学仿真，探讨复合材料Al2O3P/ZL109固液两相流充型后特征面颗粒的分布情况；并依据前期工艺设计及仿真结果，分别设计模具以得到表面细化、无缺陷的高质量活塞铸件，最后将晶粒较小、Al2O3颗粒分布更均匀的间接挤压铸造活塞颗粒分布的仿真结果与实验结果进行比较。
　　本研究主要内容包括：⑴依据设计尺寸确定活塞大小后应用UG软件三维建模，应用ProCAST软件对复合材料活塞铸造过程进行仿真，以不同仿真条件对金属型重力铸造和间接挤压铸造进行充型凝固。模拟结果表明：680℃及以上的浇注温度都能保证金属液具有良好的流动性，考虑到节约能源、预防晶粒粗大、节省后续冷却时间，控制浇注温度在680~700℃之间；为保证平稳充型、顺序凝固，金属型重力铸造适宜充型时间为10s，间接挤压铸造冲头速度为32.5 mm/s。模具温度过高会妨碍产品质量、降低生产效率，温度过低时活塞薄壁处金属液冷却速度过快会不利于铸件补缩，最后确定两种铸造方式的模具温度都控制在250~300℃之间，间接挤压铸造中冲头预热温度根据仿真情况确定为400℃附近。⑵应用ProCAST自带CAFé模块仿真对比确定间接挤压铸造原位Al2O3P/ZL109复合材料活塞晶粒较传统金属型重力铸造细化。且A12O3颗粒与ZL109合金属于半共格界面结构，分散的A12O3颗粒作为有效形核核心起细晶强化作用，应用ProCAST软件仿真依据A12O3颗粒添加量增加异质形核核心，确定在异质形核核心增加的情况下ZL109基体合金细化情况。⑶依据FLUENT流体力学仿真，采用ANSYS中集成的ICEM CFD软件对两种铸造工艺活塞特征面进行二维建模及划分网格。结果表明：活塞铸件中心截面的 Al2O3颗粒含量略高于近表面截面，其颗粒分布情况主要受到充型过程中增强颗粒与型壁碰撞和颗粒的迁移，以及凝固过程中半凝固界面对Al2O3颗粒的推吃作用的影响。总体上 Al2O3颗粒含量随充型距离的增加而减少，并较多聚集在反重力部位，较少集中于内浇口部位。⑷⑷基于前期仿真结果分别设计两种铸造工艺下的活塞模具结构，改进间接挤压铸造活塞顶部成型工艺，添加通水管道，该通水管道可根据实际情况改用铜块或其他激冷方式，料柄颈口改进为120℃扩张型，以获得高质量复合材料活塞铸件。并针对成型质量更高的间接挤压铸造活塞颗粒实际分散情况进行研究，其结论与仿真结果近似。

目录

声明

第一章 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2 铸造数值模拟软件发展状况

1.3数值模拟的研究意义及现状

1.4 原位颗粒增强铝基复合材料活塞制造技术

1.5 课题研究的内容

第二章 活塞的铸造方案设计

2.1 三维实体设计

2.2 金属型重力铸造方案的设计

2.3 间接挤压铸造方案的设计

第三章 活塞的铸造过程模拟

3.1 ProCAST模拟软件及其应用简介

3.2 网格划分及参数设置

3.3 金属型重力铸造过程模拟

3.4 间接挤压铸造过程模拟

3.5 A12O3增强颗粒对ZL109基体形核核心的影响

第四章 活塞特征面两相流仿真分析

4.1 计算流体动力学（CFD）

4.2 活塞充型过程两相流模拟

第五章 活塞的铸造模具设计

5.1 金属型重力铸造模具设计

5.2 间接挤压铸造模具设计

5.3 间接挤压铸造活塞实际浇注增强相分布位置对比

第六章 主要结论

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的成果