离心凝固SiC/Al基复合材料颗粒分布模型与数值模拟研究

摘要

该论文对附加外力场作用下金属基复合材料的凝固机理和研究现状进行了阐述,对金属基复合材料凝固过程数值模拟的物理基础和数学模型进行了详尽地分析和总结,首次建立了在电磁离心凝固条件下外加强化相颗粒分布的金属基复合材料凝固过程多相流数学模型.论文对在二维柱坐标系下给定SiC<,p>/Al基复合材料体系中SiC强化相颗粒在电磁离心凝固过程中的体积浓度分布进行数值建模,并对模型控制方程数值求解的初始条件和边界条件进行了分析和确定.利用大型通用有限元ANSYS软件,基于二维柱坐标系下的非稳态导热微分方程,论文建立了SiC<,p>/Al基复合材料体系在离心凝固过程中的温度场分布数学模型,模拟结果表明在离心凝固过程中铸型预热温度和铸件浇注温度对凝固熔体温度场分布影响较大,离心转速和铸型种类对其影响次之.论文根据SiC<,p>/Al体系在离心凝固过程中的温度场分布模拟结果,对给定复合材料凝固过程中SiC颗粒的最终分布进行了计算,计算结果与实验结果相符.论文通过对SiC<,p>/Al基复合材料体系在离心凝固过程中速度场、压力场和耦合温度场分布进行数值模拟及对SiC颗粒最终分布的计算,为实现电磁离心铸造过程中强化相颗粒分布的求解奠定了理论基础,为金属基复合材料的电磁离心凝固工艺的进一步工业化应用和实现对凝固成型过程的控制提供设计依据.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1金属基复合材料定义和分类

1.2金属基复合材料的制备技术

1.3附加外力场作用下金属基复合材料的凝固研究

1.3.1金属基复合材料的凝固

1.3.2离心力场作用下金属凝固的研究

1.3.3电磁场作用下金属凝固的研究

1.3.4电磁离心凝固技术的发展

1.4本课题的研究目的和主要工作

2金属基复合材料凝固过程模拟的数学模型

2.1引言

2.2常用的几种宏观凝固模型

2.2.1混合流模型(单相模型)

2.2.2两相流模型

2.2.3多尺度、多相流模型

2.3凝固过程的多相流数学模型

2.3.1多个连续介质的假定

2.3.2容积平均法

2.3.3宏观控制方程

2.3.4相间相互作用项及相关量的模拟

2.4颗粒在液态金属中的沉降

2.4.1颗粒沉降速度

2.4.2液体-颗粒动量交换系数

2.5强化相颗粒与凝固面的相互作用

2.5.1颗粒与凝固面的作用模式

2.5.2影响界面临界速度因素分析

3 Al/SiCp系统电磁离心凝固的数值建模和计算方法

3.1 Al/SiC颗粒系统二维凝固过程的数值建模

3.1.1问题描述

3.1.2模型基本假设

3.1.3电磁离心凝固多相流模型控制方程

3.2电磁离心凝固数值模拟的计算方法

3.2.1控制方程的离散及求解方法

3.2.2离散方程求解步骤

3.2.3固相析出的处理

4 Al/SiCp系统离心凝固过程耦合场有限元模拟及强化相颗粒最终分布

4.1引言

4.2数值模拟方法的确定

4.3坐标系的确定

4.4温度场控制方程的建立

4.4.1问题描述

4.4.2温度场凝固模拟的简化处理

4.4.3二维非稳态导热问题控制方程的确定

4.4.4温度场初始条件、边界条件的确定

4.4.5结晶潜热的处理

4.5研究对象的确定

4.6速度边界与压力边界的确定

4.7耦合场模拟结果与分析

4.7.1计算数据

4.7.2速度场模拟结果与分析

4.7.3压力场模拟结果与分析

4.7.4温度场模拟结果与分析

4.8离心凝固过程强化相颗粒的最终分布

4.8.1离心凝固过程颗粒分布计算公式

4.8.2 SiC颗粒最终分布

4.8.3强化相颗粒分布结果分析

4.8.4离心铸造颗粒增强金属基复合材料制备的一些初步思考

结 论

致谢

参考文献