铸造充型凝固过程宏微观数值模拟及工程应用

摘要

本文主要进行了铸件充型凝固过程宏微观数值模拟研究，宏观数值模拟研究了流动场与温度场耦合的充型过程及凝固过程，微观数值模拟研究了枝晶生长演化过程。 在充型过程数值模拟中，采用了SOLA-VOF法求解流动场与温度场耦合的数学模型及计算方法，针对VOF法中“施主—受主”处理方法对三维问题经常导致的自由界面模糊现象，提出了简单有效的改进措施；同时针对流动场计算时间长、效率低的问题，提出了三种提高流动场计算速度的方法；并利用改进的算法，对法兰件和上曲轴箱体进行了流动场数值模拟计算。 在凝固过程数值模拟中，采用改进的温度回升法，处理了任意结晶温度范围合金的潜热计算问题。采用动态封闭多熔池等效液面收缩量法进行了重力铸造条件下缩孔的定量预测，并建立了重力铸造下缩松预测的数学模型，此模型不仅考虑了热状况的影响，同时考虑枝晶间流动和含气量的影响，提高了缩松预测的精度；考虑压力对枝晶补缩能力的影响，提出了低压铸造条件下缩孔预测判据，并对砂型重力铸造的支座铸件及低压铸造的上曲轴箱体铸件进行了模拟计算。 研究了枝晶生长过程的相场模型及其数值解法，并编制了枝晶生长程序。模拟了纯物质和铝合金枝晶的生长过程及各种参数如热扰动、界面厚度、空间步长等对枝晶形貌的影响，并探索了宏微观耦合模拟的插值方法。 设计了热电偶定位测试实验对阶梯形砂型重力铸造铸件进行了温度场耦合的流动场实验验证；利用DPIV技术设计了低压铸造0.1atm和0.6atm两种工艺状况下的水力模拟实验，研究了模拟和实验中流头状态，流头两侧液面及流动速度的情况；并对下端盖和圆柱铸件模拟计算中的缩孔缩松和实验结果进行对比；微观组织模拟的验证工作是利用他人模拟和实验得到的枝晶形貌与作者模拟的形貌进行比较。 开发了集成化的铸造CAE软件系统CASTsoft，介绍了此软件的组成结构及前处理，后处理，图形显示，工程数据库等集成系统所包含的关键技术。并将此软件与MAGMAsoft软件对同一铸件相同工艺的模拟结果进行比较。 利用集成软件系统对实际生产的端盖铸件进行了流动场、温度场、缩孔、缩松计算和预测，并制定了更合理的生产工艺。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

论文的主要创新与贡献

1.绪论

2.流动场温度场耦合充型过程数值模拟

3.凝固过程模拟及缩孔缩松预测

4.凝固过程枝晶生长数值模拟

4.1引言

4.2相场法数值模型

4.3相场模型的数值计算

4.4铝合金枝晶生长模拟结果和分析

4.5宏观微观模拟相耦合方法的研究

4.6本章小结

5.数值模拟实验研究

6.铸造CAE集成系统关键技术研究

7.结论

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文及所取得的研究成果