钛合金铸造热应力有限元分析及实验研究

发布时间：2016-10-20 18:00

  本文关键词：钛合金铸造热应力有限元分析及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

《哈尔滨工业大学》 2009年

钛合金铸造热应力有限元分析及实验研究

李丽丽  

【摘要】： 钛合金具有比强度高、抗氧化性好等优点,是重要的航空航天材料。精密铸造可降低钛合金零件加工成本,已成为最成功且应用最广泛的近终形加工技术之一。本文综述了国内外在钛合金离心铸造工艺以及铸造应力场模拟研究方面的发展状况。 基于三维温度场和应力场的有限元数学模型,应用ProCAST有限元分析软件进行了与本文TC4钛合金浇铸实验相对应的铸件/铸型热应力/应变的数值模拟,以研究铸件的应力分布规律及主要影响因素,并与实验结果进行了对比。根据TC4钛合金的实测成分,利用ProCAST软件自带的数据库算得TC4钛合金的物性参数,特别是热应力计算所需数据。研究了不同界面约束条件及不同有限元网格尺寸等参数对温度场和应力场计算结果的影响。 进行了TC4钛合金石墨型真空离心及重力浇铸实验,采用多通道温度数据采集系统,测定了钛合金铸件、浇注系统及石墨铸型中不同部位的冷却曲线,并测定了钛合金铸造系统的尺寸收缩。根据测得的温度变化曲线,利用ProCAST软件反算确定了铸件与铸型等各材质之间等效界面换热系数,以及浇注时的入流速度等工艺参数,以保证对本文铸造系统热应力/应变有限元计算机模拟的可靠性。计算得到的铸件系统尺寸收缩量,以及石墨铸型中的热应力集中分布状态与实验结果基本吻合。 建立了真空铸造条件下,合金凝固结壳之后冷却阶段的界面传热模型。计算了TC4钛合金铸件系统中不同部位的离心力,并与相应部位有限元分析得到的热应力/应变大小进行了对比。结果分析表明:铸件凝固结壳因热收缩受阻而产生的应力,通常远大于一般离心铸造工艺条件下产生的离心力,因而离心力不但不足以改变铸件与铸型之间的应力接触或分离产生间隙的状态,而且对铸件/铸型间隙厚度δ和相应等效界面换热系数h e的影响都很小,可以忽略。

【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG27
【目录】：

摘要4-5

Abstract5-9

第1章 绪论9-20

1.1 课题背景及研究的目的和意义9

1.2 钛合金铸造工艺9-15

1.2.1 钛及钛合金的性质9-11

1.2.2 钛合金材料在国内外的应用状况11-12

1.2.3 钛合金铸造工艺12-15

1.3 铸造应力场数值模拟15-19

1.4 本文的主要研究内容19-20

第2章 铸造热应力场有限元计算模型及方法20-42

2.1 铸造系统热应力形成特点及数学模型20-22

2.2 铸造热应力系统的有限元计算模型22-25

2.3 ProCAST 铸造模拟软件简介25-26

2.4 铸造热应力应变计算实例26-40

2.4.1 模拟所用的材料物性参数26-30

2.4.2 计算实例30-40

2.5 本章小结40-42

第3章 钛合金离心铸造实验研究42-47

3.1 钛合金重力/离心铸造系统42-43

3.2 实验合金及实验分析方法43-46

3.3 本章小结46-47

第4章 钛合金离心铸造热应力应变有限元分析47-65

4.1 不加应力缓冲垫计算结果47-51

4.2 加应力缓冲垫的计算结果51-52

4.3 应力/应变计算与实验结果对比52-56

4.3.1 铸型破坏与计算结果对比52-55

4.3.2 铸件尺寸收缩与计算结果对比55-56

4.4 离心力对铸件/铸型界面间隙及等效换热系数的影响56-64

4.5 本章小结64-65

结论65-67

参考文献67-73

致谢73

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【引证文献】

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