机械搅拌法制备SiCp/2014Al复合材料搅拌过程的数值模拟研究
发布时间：2022-05-06 20:30
在当今时代,颗粒增强金属基复合材料具有越来越广泛的应用,因此国内外学者对其制备方法的研究也越来越深入。其中机械搅拌法由于其简便灵活以及低成本的优势被广泛应用于工业生产当中,然而探究最佳的搅拌工艺来制备复合材料一直是一个难题。随着CFD模拟软件的快速发展,流体仿真的相关研究越来越多,通过数值模拟可以非常形象、直观的观察到流体的运动及受力情况。本文利用FLOW-3D 10.1软件,对机械搅拌法制备SiCp颗粒增强2014铝基复合材料的过程进行了数值模拟,探究了搅拌的最佳工艺。本文通过数值模拟,将SiCp颗粒模型画成不规则多边形的形式,分别优化了搅拌桨的倾斜角度、搅拌桨的浸入深度、搅拌速度、搅拌温度以及搅拌时间等工艺参数,对比分析了不同参数下颗粒在流体中的运动和分散情况,以及金属液的自由表面和卷气情况,并结合铸造缺陷、复合材料的微观组织等因素进行了比较,得到了最佳的搅拌工艺,并且通过实验验证了模拟结果。研究结果表明,斜叶搅拌桨的搅拌效果要好于直叶搅拌桨,当搅拌桨倾斜角度为30°时,搅拌效果较为理想;当搅拌桨浸入深度为搅拌器高度的3/4时,颗粒在搅拌器中的分布上下左右最为均匀;制备复合材料更适...
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及选题意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 CFD在搅拌反应器中的应用进展
1.2.2 搅拌过程中数值模拟的发展趋势
1.2.3 颗粒搅拌数值模拟的相关研究
1.3 半固态机械搅拌法的原理
1.3.1 颗粒能够进入流体的热力学条件
1.3.2 颗粒能够进入流体的动力学条件
1.3.3 颗粒与基体之间的润湿性
1.3.4 颗粒与基体之间的界面反应
1.3.5 半固态成型
1.3.6 雷诺数
1.4 颗粒在搅拌流体中的受力分析
1.4.1 流动阻力
1.4.2 压力梯度力
1.4.3 附加质量力
1.4.4 马格努斯效应（Magnus）
1.4.5 巴塞特力（Basset）
1.4.6 萨夫曼升力（Saffman）
1.4.7 颗粒之间的相互作用力
1.5 搅拌桨的设计
1.6 本课题研究的主要内容
第2章 FLOW-3D简介及三维模型的建立
2.1 FLOW-3D的核心技术
2.1.1 VOF模型
2.1.2 FAVOR模型
2.1.3 多重网格分块组合方法
2.1.4 物体运动功能
2.2 数值模拟流程及相关参数的设定
2.2.1 边界条件和初始条件
2.2.1.1 边界条件的设定
2.2.1.2 初始条件的设定
2.2.2 紊流模型的选择
2.2.3 压缩系数的设置
2.2.4 物料属性的设定
2.2.5 物理模型的选择及求解参数设置
2.2.6 收敛残差和迭代时间步长
2.3 搅拌模型的建立及网格划分
2.4 本章小结
第3章 基于FLOW-3D搅拌过程中流场的数值模拟
3.1 通过数值模拟设计搅拌桨以及搅拌桨浸入熔体的深度
3.1.1 搅拌桨形式的设计
3.1.2 搅拌桨倾斜角度的设计
3.1.3 搅拌桨侵入深度的影响
3.2 搅拌工艺参数对颗粒分布的影响
3.2.1 搅拌温度对不同时刻颗粒分布的影响
3.2.2 搅拌速度对不同时刻颗粒分布的影响
3.2.3 搅拌时间对颗粒分布的影响
3.3 模拟存在的问题
3.4 本章小结
第4章 半固态机械搅拌制备SiCp增强2014复合材料
4.1 实验材料
4.1.1 基体材料
4.1.2 增强颗粒材料
4.2 实验设备及流程
4.3 不同的搅拌工艺下复合材料的组织形貌
4.3.1 搅拌温度对颗粒发分布情况的影响
4.3.2 搅拌转速对颗粒分布的影响
4.3.3 搅拌时间对颗粒分布的影响
4.4 本章小结
第5章 结论
参考文献
作者简介及获奖情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]半固态搅拌铸造SiCp/6061铝基复合材料的组织与性能[J]. 王辉,王顺成,郑开宏,王建华,陈学文. 特种铸造及有色合金. 2015(06)
[2]椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究[J]. 刘扬,韩燕龙,贾富国,姚丽娜,王会,史宇菲. 物理学报. 2015(11)
[3]Numerical investigation of particle saltation in the bed-load regime[J]. JI ChunNing,ANTE Munjiza,ELDAD Avital,XU Dong,JOHN Williams. Science China（Technological Sciences）. 2014(08)
[4]Study on the dynamic characteristics of flow over building cluster at high Reynolds number by large eddy simulation[J]. WANG BoBin,WANG ZhiShi,CUI GuiXiang,ZHANG ZhaoShun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(06)
[5]Investigation of grain mass flow in a mixed flow dryer[J]. Fabian Weigler,Jochen Mellmann. Particuology. 2014(01)
[6]热处理工艺对喷射沉积7090/SiCp复合材料断裂韧性的影响[J]. 张晨晨,袁武华. 材料导报. 2013(14)
[7]桨式搅拌器安装高度对搅拌效果的数值模拟[J]. 许卓,赵恒文,郑建坤. 机械制造与自动化. 2013(02)
[8]粉末冶金70%Si/Al复合材料的制备与组织形成机制[J]. 刘彦强,魏少华,左涛,马自力,樊建中. 稀有金属. 2012(06)
[9]Dispersion of SiC particles in mechanical stirring of A356-SiCp liquid[J]. 张君,张鹏,杜云慧,姚莎莎. Journal of Central South University. 2012(06)
[10]颗粒增强金属基复合材料的研究进展[J]. 贺毅强. 热加工工艺. 2012(02)
博士论文
[1]气粒热流场中微粒特性的动力学分析[D]. 贺征.哈尔滨工程大学 2009
[2]颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料性能的影响规律及其数值模拟[D]. 晏义伍.哈尔滨工业大学 2007
[3]搅拌槽内宏观及微观混合的实验研究与数值模拟[D]. 闵健.北京化工大学 2005
[4]基于流场和结构优化的搅拌桨设计/制造集成技术研究[D]. 薛兆鹏.天津大学 2003
[5]搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟[D]. 周国忠.北京化工大学 2002
硕士论文
[1]挤压处理对SiCp/2014Al复合材料组织及性能的影响[D]. 刘小玉.吉林大学 2015
[2]涡轮式组合搅拌器流场模拟研究[D]. 武光霞.青岛科技大学 2014
[3]机械搅拌制备SiCp/2014复合材料及搅拌过程中流场的数值模拟[D]. 王启龙.吉林大学 2014
[4]介电电泳单颗粒捕捉中相互作用力的影响及应用[D]. 沈萍.西安建筑科技大学 2012
[5]双向叶片涡轮机内部三维流场的数值模拟与实验研究[D]. 张文广.浙江工业大学 2012
[6]基于CFD对结晶器搅拌混合过程的模拟研究[D]. 王鑫.天津理工大学 2011
[7]搅拌槽内混合过程的数值模拟[D]. 张国娟.北京化工大学 2004
[8]搅拌槽内固-液悬浮的数值模拟[D]. 钟丽.北京化工大学 2003
本文编号：3651163
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及选题意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 CFD在搅拌反应器中的应用进展
1.2.2 搅拌过程中数值模拟的发展趋势
1.2.3 颗粒搅拌数值模拟的相关研究
1.3 半固态机械搅拌法的原理
1.3.1 颗粒能够进入流体的热力学条件
1.3.2 颗粒能够进入流体的动力学条件
1.3.3 颗粒与基体之间的润湿性
1.3.4 颗粒与基体之间的界面反应
1.3.5 半固态成型
1.3.6 雷诺数
1.4 颗粒在搅拌流体中的受力分析
1.4.1 流动阻力
1.4.2 压力梯度力
1.4.3 附加质量力
1.4.4 马格努斯效应（Magnus）
1.4.5 巴塞特力（Basset）
1.4.6 萨夫曼升力（Saffman）
1.4.7 颗粒之间的相互作用力
1.5 搅拌桨的设计
1.6 本课题研究的主要内容
第2章 FLOW-3D简介及三维模型的建立
2.1 FLOW-3D的核心技术
2.1.1 VOF模型
2.1.2 FAVOR模型
2.1.3 多重网格分块组合方法
2.1.4 物体运动功能
2.2 数值模拟流程及相关参数的设定
2.2.1 边界条件和初始条件
2.2.1.1 边界条件的设定
2.2.1.2 初始条件的设定
2.2.2 紊流模型的选择
2.2.3 压缩系数的设置
2.2.4 物料属性的设定
2.2.5 物理模型的选择及求解参数设置
2.2.6 收敛残差和迭代时间步长
2.3 搅拌模型的建立及网格划分
2.4 本章小结
第3章 基于FLOW-3D搅拌过程中流场的数值模拟
3.1 通过数值模拟设计搅拌桨以及搅拌桨浸入熔体的深度
3.1.1 搅拌桨形式的设计
3.1.2 搅拌桨倾斜角度的设计
3.1.3 搅拌桨侵入深度的影响
3.2 搅拌工艺参数对颗粒分布的影响
3.2.1 搅拌温度对不同时刻颗粒分布的影响
3.2.2 搅拌速度对不同时刻颗粒分布的影响
3.2.3 搅拌时间对颗粒分布的影响
3.3 模拟存在的问题
3.4 本章小结
第4章 半固态机械搅拌制备SiCp增强2014复合材料
4.1 实验材料
4.1.1 基体材料
4.1.2 增强颗粒材料
4.2 实验设备及流程
4.3 不同的搅拌工艺下复合材料的组织形貌
4.3.1 搅拌温度对颗粒发分布情况的影响
4.3.2 搅拌转速对颗粒分布的影响
4.3.3 搅拌时间对颗粒分布的影响
4.4 本章小结
第5章 结论
参考文献
作者简介及获奖情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]半固态搅拌铸造SiCp/6061铝基复合材料的组织与性能[J]. 王辉,王顺成,郑开宏,王建华,陈学文. 特种铸造及有色合金. 2015(06)
[2]椭球颗粒搅拌运动及混合特性的数值模拟研究[J]. 刘扬,韩燕龙,贾富国,姚丽娜,王会,史宇菲. 物理学报. 2015(11)
[3]Numerical investigation of particle saltation in the bed-load regime[J]. JI ChunNing,ANTE Munjiza,ELDAD Avital,XU Dong,JOHN Williams. Science China（Technological Sciences）. 2014(08)
[4]Study on the dynamic characteristics of flow over building cluster at high Reynolds number by large eddy simulation[J]. WANG BoBin,WANG ZhiShi,CUI GuiXiang,ZHANG ZhaoShun. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(06)
[5]Investigation of grain mass flow in a mixed flow dryer[J]. Fabian Weigler,Jochen Mellmann. Particuology. 2014(01)
[6]热处理工艺对喷射沉积7090/SiCp复合材料断裂韧性的影响[J]. 张晨晨,袁武华. 材料导报. 2013(14)
[7]桨式搅拌器安装高度对搅拌效果的数值模拟[J]. 许卓,赵恒文,郑建坤. 机械制造与自动化. 2013(02)
[8]粉末冶金70%Si/Al复合材料的制备与组织形成机制[J]. 刘彦强,魏少华,左涛,马自力,樊建中. 稀有金属. 2012(06)
[9]Dispersion of SiC particles in mechanical stirring of A356-SiCp liquid[J]. 张君,张鹏,杜云慧,姚莎莎. Journal of Central South University. 2012(06)
[10]颗粒增强金属基复合材料的研究进展[J]. 贺毅强. 热加工工艺. 2012(02)
博士论文
[1]气粒热流场中微粒特性的动力学分析[D]. 贺征.哈尔滨工程大学 2009
[2]颗粒尺寸对SiCp/Al复合材料性能的影响规律及其数值模拟[D]. 晏义伍.哈尔滨工业大学 2007
[3]搅拌槽内宏观及微观混合的实验研究与数值模拟[D]. 闵健.北京化工大学 2005
[4]基于流场和结构优化的搅拌桨设计/制造集成技术研究[D]. 薛兆鹏.天津大学 2003
[5]搅拌槽内流动与混合过程的实验研究及数值模拟[D]. 周国忠.北京化工大学 2002
硕士论文
[1]挤压处理对SiCp/2014Al复合材料组织及性能的影响[D]. 刘小玉.吉林大学 2015
[2]涡轮式组合搅拌器流场模拟研究[D]. 武光霞.青岛科技大学 2014
[3]机械搅拌制备SiCp/2014复合材料及搅拌过程中流场的数值模拟[D]. 王启龙.吉林大学 2014
[4]介电电泳单颗粒捕捉中相互作用力的影响及应用[D]. 沈萍.西安建筑科技大学 2012
[5]双向叶片涡轮机内部三维流场的数值模拟与实验研究[D]. 张文广.浙江工业大学 2012
[6]基于CFD对结晶器搅拌混合过程的模拟研究[D]. 王鑫.天津理工大学 2011
[7]搅拌槽内混合过程的数值模拟[D]. 张国娟.北京化工大学 2004
[8]搅拌槽内固-液悬浮的数值模拟[D]. 钟丽.北京化工大学 2003
本文编号：3651163
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3651163.html
