船用螺旋桨桨叶的铸造数值模拟及工艺优化

摘要

该型船用螺旋桨桨叶属于中小型桨叶，其桨叶曲面复杂,主要承受剪切交变载荷的作用，受力复杂,对其内部组织强度要求很高，从桨叶的试制情况来看，已经暴露了很多问题，例如桨叶的缩松缩孔、气泡、夹渣等铸造缺陷，其中桨叶的缩松缩孔缺陷尤为严重，缺陷率达到了85％以上，对于桨叶的铸造缺陷，如果通过多次生产试制来改善，不仅增加产品的生产周期，也会增加产品的生产成本。因此本文通过数值模拟分析软件并结合生产实际情况来对桨叶的铸造缺陷进行分析，找出其缺陷的原因，并针对桨叶的铸造缺陷提出合理化建议，为桨叶的实际生产提供指导意见。
　　本文首先分析了桨叶的结构及其工作环境，建立了桨叶的铸造仿真前处理模型，应用铸造分析软件MAGMA对桨叶的原有的铸造工艺进行数值模拟，通过对桨叶的充型和凝固过程进行分析，预测了桨叶铸造过程中存在的铸造缺陷，发现浇注过程存在着乱浇现象，凝固过程存在着缩松缩孔等铸造缺陷，与实际的产品缺陷基本吻合，证明了砂型边界条件、热物性参数等模拟参数设置的正确性，提出了改进工艺的合理化建议，即用底注式浇注工艺代替原有的阶梯式浇注工艺，通过数值分析发现底注式浇注工艺有利于合金液在充型过程中平稳流动，减少了铸造过程中缩松缩孔等铸造缺陷；然后针对凝固过程中，冒口补缩距离短的问题，提出了在叶根处增设冷铁的方案，既有利于桨叶形成自下而上的凝固顺序，又能使冒口能够实现很好的补缩，此种浇注方式下，仅有少量的缩松缩松。
　　最后通过正交试验法对桨叶的铸造质量进行进一步的优化，结合数值模拟和生产实际情况，选取了影响桨叶铸造的三个重要的参数因素，即浇注温度、浇注速度和壳型预热温度。通过模拟及数据分析发现浇注温度对桨叶的质量影响最大，其次为浇注速度，最后为壳型预热温度，最优的浇注工艺参数为：浇注温度1150℃、浇注速度90cm/s、壳型温度150℃。通过对最优工艺参数的数值模拟发现铸件得到了最佳的铸造质量，整体无缺陷。最后对凝固过程的应力场进行了模拟分析，指出了桨叶的最大变形量及变形位置，为桨叶的实际生产中反变形量的施加提供了指导意见。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 铸造数值模拟技术的发展状况

1.3 论文主要研究内容及章节安排

1.4 本章小结

第2章 铸造过程数值模拟理论

2.1 铸造过程

2.2 充型过程基础理论

2.3 凝固过程基础理论

2.4 凝固过程热应力场数值模拟理论

2.5 本章小结

第3章 原始浇注工艺的数值模拟及缺陷分析

3.1 桨叶结构及工作环境分析

3.2 桨叶铸造缺陷及原始浇注工艺

3.3 数值模拟前处理

3.4 桨叶原始浇注工艺的数值模拟

3.5 本章小节

第4章 底注式浇注系统工艺下的数值分析

4.1 可调桨桨叶浇注系统的重新设计

4.2 底注式内浇道工艺的数值模拟

4.3 铸造工艺优化方案

4.4 本章小节

第5章 浇注工艺参数优化

5.1 正交试验设计方法理论

5.2浇注工艺参数优化

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢