半固态成形过程流场和温度场耦合数值模拟研究

摘要

在半固态铸造过程中,充型过程占有重要地位.充型过程的工艺参数不合理,就会导致氧化物夹杂、冷隔及浇不足等缺陷.因此,设计优良的浇注系统,进行合理的充型,是生产品质优良铸件的关键;而充型过程的数值模拟为此提供了极大的便利.该文的主要内容是应用大型通用有限元分析软件ANSYS,并利用不可压缩粘性流体的控制方程和标准κ-ε模型,采用Carreau粘度模型,对A356铝合金轮毂试样在590℃(、605℃、615℃压铸充型过程的自由表面、温度场进行了深入的研究.考察了粘度、充型速度对充型过程自由表面和温度的影响.最后通过实验验证了模拟结果的正确性并得到了以下研究成果:(1)A356铝合金温度为590℃的充型过程要比605℃和615℃充型平稳不容易产生气孔、缩松等缺陷,表面质量完好.(2)温度为590℃的A356铝合金充型,其压铸速度为5m/s时的充型过程比10m/s时平稳.(3)A356铝合金以5rn/s的压铸速度充型时,铸件的各个部位的温度在充型结束时都高于固相线,在适当的模具温度下以此速度充型一定能充满.(4)模拟结果和实验结果吻合的很好,说明粘度随剪切速率变化的Carreau粘度模型适用于温度为590℃、605℃和615℃的A356铝合金充型数值模拟.

目录

文摘

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第1章绪论

1.1压铸成形过程数值模拟

1.2数值模拟计算方法

1.3半固态成形的数值模拟

1.4关于ANSYS

1.4.1 ANSYS程序的发展

1.4.2 ANSYS分析过程

1.4.3计算流体动力学分析(CFD)

1.5本课题研究的意义、目的和主要内容

1.5.1本课题的意义

1.5.2本论文的研究内容

第2章基本理论

2.1流场模拟基本理论

2.1.1描述流体流动的两种方法

2.1.2直角坐标系中流场微分控制方程

2.1.3湍流模型

2.1.4插值、形状函数

2.1.5通用微分方程及其离散化

2.1.6自由表面的处理

2.2传热基本理论

2.2.1热力学第一定律

2.2.2边界条件

第3章半固态压铸模拟研究

3.1半固态压铸充型过程流场、温度场耦合数值模拟

3.1.1实体模型

3.1.2网格划分

3.1.3 FLOTRAN CFD求解器

3.1.4求解策略

3.1.5模拟所用合金的热物性

3.1.6粘度模型

3.1.7初始条件和边界条件

3.1.8自由表面处理

3.2铸件凝固过程温度场数值模拟

3.2.1初始条件

3.2.2边界条件

3.2.3相变处理

3.3模拟结果及分析

3.3.1流场、温度场耦合模拟结果及分析

3.3.2凝固过程温度场模拟结果及分析

3.4本章小结

第4章实验研究

4.1实验

4.1.1实验设备

4.1.2实验材料

4.1.3实验方法

4.2实验结果

4.2.1成形结果

4.2.2测温结果

4.3试验结果分析

第5章模拟结果与实验结果比较

5.1结果比较与分析

5.1.1初始温度为590℃充型的模拟结果验证

5.1.2初始温度为605℃充型的模拟结果验证

5.1.3初始温度为615℃充型的模拟结果验证

5.2模拟精度分析

5.2.1数值算法的影响

5.2.2初始条件的影响

5.2.3热物理性能影响

5.3本章小结

第6章结论

参考文献

致谢

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