多维振动下型腔内金属液充型与凝固规律研究

摘要

铸造作为机械部件的重要成形方法，其技术水平的提高能极大促进国家工业发展。为了实现铸件“复杂化、薄壁化、大型化”的目标，不断有新的铸造技术问世。多维振动铸造技术是振动铸造技术的进一步改进优化。通过改变振动铸造参数中的自由度、振幅、频率等参数能够有效提高金属液在型腔中的充型能力，并对金属液的补缩产生促进作用。
　　本文在充分研究了国内外先进振动铸造技术及理论的基础上，利用数值模拟软件EDEM-Fluent及ProCAST模拟金属液在型腔内的流动及收缩行为，并利用自主设计研制的多维振动装置及模具进行了水力实验和基于微晶蜡的物理模拟实验。主要研究工作如下:
　　(1)对振动装置进行计算，得出相应的振动参数。采用L形充型试样对振动参数进行筛选，研究自由度、振幅、频率对流体在型腔内流动能力的影响。选取具有代表性的参数，利用自选模型进行EDEM-Fluent耦合模拟，通过对充型过程中的颗粒运动情况分析，得出各个振动工况下颗粒的运动状态。利用正交参数实验法得出型腔考察区域中颗粒的数目，通过极差分析法分析得出颗粒对振动自由度、振动频率、振动幅度的响应度。
　　(2)考虑到ProCAST不能进行振动铸造模拟，选取三个金属液浇注的一般性参数浇注速度、浇注温度、砂箱温度分析其对自选模型内收缩情况的影响。利用正交实验法，得出浇注参数中对金属液凝固收缩影响次序及最佳的浇注方案为物理模拟实验做参考。以最佳方案参数为标准，采用单一变量法，研究同一参数的变化对铸件缩松缩孔体积的影响。
　　(3)通过水力实验及基于微晶蜡的物理模拟实验，模拟振动充型及振动凝固过程。采用与数值模拟相同的实验方案进行浇注，用数码相机记录振动条件下流体的流动行为，分析得出振动参数与流体充型状态及时间之间的关系，对数值模拟结果进行论证;依据ProCAST模拟得出的最佳参数及相似性准则对微晶蜡的熔化温度计算，使其满足与原型相似。为了保证实验的连续性，采用振动充型时的方案进行振动浇注，用表面收缩体积代替缩松体积进行计量，通过方差分析法确定最适宜的凝固补缩的振动方案。

目录

声明

摘要

引言

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 振动充型的研究现状概述

1．2．2 振动凝固的研究现状及概述

1．3 主要研究内容

1．4 创新点

1．5 本章小结

2 基于EDEM-Fluent的多维振动充型模拟

2．1 引言

2．2．2 EDEM-Fluent耦合计算流程

2．2．3 EDEM-Fluent耦合计算模型

2．3 振动参数的确定

2．4 EDEM-Fluent耦合模拟实验

2．4．1 模型介绍

2．4．2 网格划分

2．4．3 耦合参数设置

2．4．4 模拟求解过程

2．4．5 模拟参数过滤

2．4．6 模拟实验及结果

2．4．7 模拟实验方案设计

2．5 本章小结

3 模型凝固过程的数值模拟

3．1 引言

3．2 ProCAST模拟理论

3．2．1 ProCAST模拟特点

3．2．2 ProCAST模拟数学模型

3．3 影响凝固过程的模拟工艺因素

3．4 模拟参数设置

3．4．1 网格划分

3．4．2 材料设置

3．4．3 界面换热设置

3．4．4 边界条件设置

3．4．5 初始条件及运行参数的设置

3．5 正交实验设计及结果分析

3．6 工艺参数对凝固过程的影响

3．6．1 浇注速度对凝固过程的影响

3．6．2 浇注温度对凝固过程的影响

3．6．3 砂箱温度对凝固过程的影响

3．7 本章小结

4 振动充型及凝固过程的物理模拟实验

4．1 引言

4．2 水力实验

4．2．1 实验装置

4．2．2 水力实验模具

4．2．3 实验材料

4．2．4 试验方法

4．2．5 实验结果及分析

4．2．5 振动参数对流体充型过程的影响

4．3 基于微晶蜡的物理模拟实验

4．3．1 实验装置及模具

4．3．2 实验材料

4．3．3 试验方法

4．3．4 实验结果及分析

4．3．5 振动参数对缩松缩孔的影响

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 展望

5．2 结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果