基于SPH方法的铸造过程的数值模拟研究

摘要

铸造模拟技术经过不断的发展，已在实际生产中得到广泛应用。现在应用的铸造模拟软件绝大多数是基于网格法（FDM、FEM等）实现，目前一般只是单相金属液流动的计算，难以处理变形边界、运动交界面及多相流动等问题，SPH（光滑粒子流体动力学）方法可以很好处理此类问题。本文针对铸造过程数值模拟采用SPH方法研究以下几个方面： 首先，研究了SPH方法的基本内容，并且引用SPH方法的几种修正方式，提高计算的稳定性；针对SPH方法的边界问题，采用边界粒子带有物理属性简单而有效的修正罚函数边界。自主编写了SPH方法充型程序，对典型算例环形件的充型进行计算，计算结果与实验结果基本吻合；为铸造充型过程数值模拟SPH方法研究建立基础。 其次，针对实际铸造过程中气液两相流动研究，在已有程序基础之上，建立表面张力模型程序，通过方形液滴变圆计算验证了的表面张力正确性；针对气液两相大密度差运动问题通过计算气泡上浮案例将计算结果与实验过程进行对比，验证了SPH方法计算大密度差气液两相流动可行性；将上述所建SPH方法程序应用于水底侧注方腔模拟计算，计算结果与实验结果相符，证明了SPH方法计算充型气液两相流动模拟正确性，为铸造充型过程卷气缺陷预测提供坚实基础。 随后，针对SPH方法铸造过程温度场的数值模拟研究，推导了Cleary 研究出的热传导方程并进行SPH离散，通过计算平壁件热传导温度值与解析解拟合，验证了SPH方法建立热传导方程的准确性；铸造凝固过程物态变化的潜热释放至关重要，针对潜热处理问题，在以上程序的基础上，加入修正温度回升法模型程序，对L型铝合金铸件进行温度场计算，将计算结果与Win-cast铸造模拟软件计算结果进行对比，两者相符，验证了SPH方法建立温度场模型正确性、准确性。 最后，针对SPH方法缩孔缺陷预测研究，建立了缩孔缺陷预测模型和虚粒子模型程序将达到缩孔条件粒子转化为虚粒子；对圆柱型铸钢件进行计算，计算结果与实验室结果中缩孔位置、尺寸基本一致，验证了SPH方法缩孔缺陷预测研究的实用性、准确性。

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基于SPH方法的铸造过程的数值模拟研究

摘 要

1.1课题研究背景

1.2铸造过程数值模拟发展与现状

1.3数值模拟网格法基本简介

1.4数值模拟无网格法基本简介

1.4.1 SPH方法的研究发展

1.4.2 SPH方法的应用

1.5 课题研究内容

2.1引言

2.2 SPH方法的基本求解思想

2.1.1 积分表示法

2.2.2粒子近似法

2.3 核函数

2.3.1 核函数主要性质

2.3.2 常用类型核函数

2.4 粒子搜索

2.4.1全配对搜索法

2.4.2链表搜索法

2.4.3树形搜索法

2.5 SPH方法控制方程

2.5.1 连续性方程

2.5.2 动量守恒方程

2.5.3 能量守恒方程

2.6 本章小结

3.1 引言

3.2 基于SPH方法充型过程数值模拟状态方程和本构方程

3.2.1 SPH方法状态方程

3.2.1 SPH方法本构方程

3.3 SPH方法常用修正方法

3.3.1人工粘度

3.3.2人工应力

3.3.3 XSPH

3.4边界处理条件

3.5时间积分

3.6 SPH程序实现

3.7 环形件充型SPH方法计算

3.8 本章小结

4.1引言

4.2 充型过程气液两相流动SPH方法建模

4.3 气泡上浮过程SPH方法计算

4.4液体底侧注入方腔SPH方法计算

4.5 本章小结

5.1引言

5.2凝固过程温度场SPH方法建模

5.2.1热传导SPH方法建模

5.2.2 平壁件热传导SPH方法计算

5.2.3 相变潜热处理常用模型

5.2.4 L型铝合金铸件温度场SPH方法计算

5.3凝固过程缩孔缺陷SPH方法建模

5.3.1SPH方法缩孔缺陷预测建模

5.3.2 SPH方法缩孔缺陷预测模型优化

5.3.3 圆柱形铸钢件凝固过程SPH方法计算

5.4 本章小结

6.1 研究结论

6.2 研究展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表的学术成果