金属液在充型和凝固过程中夹杂物运动的数值模拟

摘要

在铸造生产中，浇注条件的不合理以及浇注时金属液混入的夹杂物等因素往往会造成严重的铸件质量问题。单凭生产者的经验或实际生产前的小规模实验，既不准确，又浪费时间和原料，提高了生产成本。 本文通过建立数学模型，模拟了充型和凝固过程中金属液的流动及随金属液混入到铸型内的夹杂物的运动。应用连续方程、动量方程、粒子运动方程及热传导方程等流体力学中的基本方程，进行了数学模型的相关计算。计算方法选用有限差分法和四阶龙格一库塔一吉尔方法对数学模型进行离散化。采用 Euler 坐标系下，Euler法中的SMAC法来计算流体自由表面流动过程。 采用Fortran编程语言，计算浇注时液态金属的流动状态、夹杂物的运动轨迹以及凝固过程。通过程序计算得出数据文件，利用 C 语言的图形功能演示模拟得到的液态金属流动过程，夹杂物运动轨迹及最终位置。计算结果与水力模拟实验结果基本一致，验证了数值模拟的准确性和可行性。 通过数值模拟，了解充型过程和凝固过程中夹杂物的运动轨迹及最终位置，得出随着浇注速度、夹杂物尺寸、密度及和夹杂物混入时期的不同，夹杂物的运动轨迹和最终位置也不同。通过预测夹杂物的运动轨迹和最终位置，设计者就可以根据金属液、可能含有的夹杂物以及对铸件要求的不同，改变浇注速度、浇注系统等获得理想质量的铸件。 因此，将数值模拟应用于铸件成型工艺，预测成型工艺过程中铸件可能出现的缺陷，采取相应的措施调节工艺参数，优化工艺方案，对高质量、低能耗的铸造工艺过程的实现具有极其重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1选题的背景和意义

1.2铸造过程计算机模拟国内外发展现状

1.2.1国外的研究现状

1.2.2国内的研究现状

1.3数值解析的方法

1.3.1 SIMPLE方法

1.3.2 MAC方法

1.3.3 SMAC方法

1.3.4 SOLA-VOF方法

1.3.5离散粒子技术

1.4铸件充型凝固过程模拟的数值算法及特点

1.4.1有限差分法(FDM)

1.4.2直接差分法(DFDM)

1.4.3有限元法(FEM)

1.4.4边界元法(BEM)

2基本理论和分析处理方法

2.1流体力学的一些基本概念

2.1.1连续介质假设

2.1.2流体的输运性质

2.1.3体系和控制体

2.2潜热的处理

2.3自由表面的确定

2.4计算方法与计算格式的确定

2.5本课题研究的内容

3模拟条件和数学模型

3.1模拟条件

3.2数学模型

3.3数学模型离散化

3.3.1有限差分法

3.3.2四阶龙格-库塔-吉尔法(Gill)

3.3.3计算时液体运动和粒子运动的边界条件

3.3.4计算凝固过程时的假设条件

3.3.5程序流程图

4实验装置和验证

4.1水力模拟实验

4.2数值模拟结果与实验结果的验证

4.2.1流动的验证

4.2.2夹杂物运动轨迹的验证

5数值模拟的结果与分析

5.1流体的运动

5.1.1改变浇注的速度

5.2充型过程中夹杂物运动的分析

5.2.1夹杂物的密度对其运动的影响

5.2.2夹杂物的直径对其运动的影响

5.2.3浇注时期对夹杂物运动的影响

5.3凝固过程中夹杂物的运动及捕集过程的分析

5.3.1夹杂物的直径对其凝固位置的影响

5.3.2夹杂物的密度对其凝固位置的影响

5.3.3浇注时期改变对夹杂物凝固过程位置的影响

5.3.4夹杂物最终位置和集聚个数的关系

5.3.5夹杂物直径的变化与捕集位置的关系

5.3.6夹杂物密度的变化与捕集位置的关系

6结论

参考文献

在学研究成果

致谢