电磁搅拌对铝合金凝固影响的数值分析与实验研究

摘要

在铝合金凝固过程施加电磁搅拌能显著提高合金的内部与表面质量，故对电磁搅拌作用机理的研究以及其对铝合金熔体的表面质量与内部性能的影响则十分有必要。本文根据 Maxwell电磁学理论基础确定实验求解理论方程，再通过理论方程推导出电磁场作用力方程，并以有限元计算方法为基础，通过ANSYS有限元软件首先构造出二维和三维的电磁搅拌物理模型和有限元模型，再通过设置边界条件和初始条件计算电磁场的磁感应强度与电磁力的一些分布情况，然后改变电流、频率搅拌参数来探究其对磁感应强度和电磁力的影响。实验表明：电磁搅拌作用下的金属熔体内部的磁场分布规律，磁场的分布规律为磁场在有铸坯表面向中心衰减，且磁场在整个径向上对称分布，在径向上的分布呈现出一个“V”字形；在一个计算周期内，磁场在电磁搅拌作用下呈周期运动，运动方向呈顺时针；磁感应强度在周期内磁场运动过程中分布均匀，铸坯内磁感应强度在计算范围内随着频率的增大而减小,电磁力在计算的范围内随频率的增大而增大；磁感应强度和磁场力大小随着电流的递增而递增，且趋势呈指数性递增。
　　为了更进一步探究电磁场的作用情况，通过 ANSYS有限元软件的 CFX模块建立了流体的三维物理模型和有限元模型，先设置流场边界条件再把前面电磁场计算出的电磁力耦合到流场中作为流场的初始条件，求解出了流场的分布规律以及电流强度和频率参数对流场的影响规律。实验结果显示：添加电磁搅拌后的铝合金熔体产生绕着中心旋转的速度场，增强了熔体流动；且添加搅拌的熔体速度在铸坯表面最大，在中心最小，其速度场的分布在径向上从表面至中心逐渐减小，流体的最大切向速度与电流强度呈线性的关系，即最大切向速度随着电流强度的增大而增大，流体的速度在计算的频率范围内随着频率的增大也逐渐增大。
　　为了验证模拟的准确性，通过实际实验进行验证，发现实验的结果和模拟的结果相差不大，说明模拟具有较为准确的预测效果。

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第一章绪论

1.1铝合金的研究现状与发展前景

1.2电磁搅拌技术

1.3国内外电磁搅拌技术的发展研究现状

1.4有限元法理论概述

1.5选题的创新及意义

1.6本文研究目的与内容

第二章实验研究方案和设计

2.1研究总体方案

2.2电磁搅拌装置

2.3实验研究方法

第三章磁场模拟结果分析

3.1铸坯内部磁场特征

3.2电磁搅拌参数对磁场分布的影响

3.3本章小结

第四章磁场与流场的耦合模拟结果分析

4.1磁场与流场耦合的数学模型

4.2磁场与流场的耦合

4.3流场模拟的结果分析

4.4本章小结

第五章电磁搅拌的实验验证

5.1电磁搅拌对铝合金显微组织的影响

5.2电源频率对电磁搅拌效果的影响

5.3本章小结

第六章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果