金属型铸造凝固过程中界面热交换系数的研究

发布时间：2017-03-28 01:09

  本文关键词：金属型铸造凝固过程中界面热交换系数的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着铸造工艺中计算机技术成功应用,越来越多的计算机用户希望能够用一个准确的边界参数可以一用仿真来指导实践生产,铸造凝固过程的数值模拟是铸CAE的核心内容,也是预测铸件缺陷及其组织、力学性能的基础。界面参数的精确性直接影响铸造仿真的可靠性,不准确的界面换热系数模拟出来的结果可能与实际情况大相径庭,进而影响了铸造CAE指导生产,更不可能预测铸造组织和力学性能。本文选用铝合金A356作为铸件材料,在多种条件下进行了凝固测温实验。在反问题数学模型的基础上,利用有限元分析软件Procast,将实验过程中采集的温度场数据作为输入参数,对金属型铸造凝固过程的温度场进行模拟分析,各种条件下重力铸造实验中铸件-模具界面换热系数进行了求解。得到了以下主要结论:(1)铸件凝固过程中的界面换热系数变化大致可分为快速上升、快速下降、低值维持三个阶段。浇铸完成后,界面换热系数快速上升至峰值。随着铸件凝固层的增厚,收缩加剧,与冷端接触形式逐渐由完全接触转变为局部接触,界面空气间隙产生,导致换热系数快速下降。凝固末期,铸件与模具的接触情况保持稳定,换热系数趋于稳定。(2)通过对比铸型表面无涂料和铸型表面有涂料两次实验的界面换热系数反求结果可以得出,冷端涂料的使用导致了界面换热系数峰值及稳定值的降低,并延长浇注完成后界面换热系数到达峰值的时间。(3)本文定性分析了求解热传导反问题的一些困难:求解计算量极大、非线性、不适定性。设计了合理的测温方案(测温系统)。就影响界面热交换系数的两大因素涂料和浇注温度,设计了4组测温实验。本文基于反求分析法建立了求解铸造过程中铝合金与金属模具的界面热交换系数的数学模型,并通过测温实验测量了准确的温度场,通过测量的温度场反求获得了界面热交换系数。
【关键词】：界面换热系数 反热传导法 重力铸造 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG249.3
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-8
• 1 绪论8-19
• 1.1 课题的背景及意义8-10
• 1.1.1 课题的背景8-9
• 1.1.2 课题的意义9-10
• 1.2 铸造CAE的研究概况10-13
• 1.2.1 铸造CAE的内容10-11
• 1.2.2 铸造CAE的国内外现状11-13
• 1.2.3 目前铸造CAE存在的问题13
• 1.3 界面换热系数的研究概况13-18
• 1.3.1 界面换热系数13-14
• 1.3.2 影响界面换热系数的因素14-15
• 1.3.3 界面换热系数的研究15-16
• 1.3.4 界面热交换系数的正求16-17
• 1.3.5 界面热交换系数的反求概况17-18
• 1.4 本文研究的目的18
• 1.5 本章小结18-19
• 2 传热学的理论基础19-23
• 2.1 热传导换热19-20
• 2.2 热对流换热20-21
• 2.3 热辐射换热21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 非稳态法（反求法）求解界面换热系数23-28
• 3.1 热传导反问题23-24
• 3.2 凝固过程中三维温度场数学模型及定解问题24-27
• 3.3 凝固过程结晶潜热的处理27
• 3.4 本章小结27-28
• 4 反求法求解铸造凝固过程中的温度测量28-38
• 4.1 实验方案及实验设计28-29
• 4.2 实验装置29-35
• 4.2.1 熔炼装置29-30
• 4.2.2 模具加热控温装置30-31
• 4.2.3 温度记录装置31-33
• 4.2.4 测温热电偶33-35
• 4.3 测温结果和测温误差分析35-37
• 4.3.1 测温结果35-37
• 4.3.2 误差分析37
• 4.4 本章小结37-38
• 5 基于procast反求法的热交换系数求解38-49
• 5.1 反求法求解热交换系数的流程38-40
• 5.2 反热传导法求解热交换系数的数学模型建立40-42
• 5.3 热交换系数反求分析模型的验证42-43
• 5.4 热交换系数求解43-46
• 5.4.1 浇注温度为 680℃的界面换热系数反求43-44
• 5.4.2 浇注温度为 700℃的界面换热系数反求44-45
• 5.4.3 浇注温度为 720℃的界面换热系数反求45-46
• 5.5 涂料和浇注温度对界面换热系数的影响46-48
• 5.5.1 涂料对界面换热系数的影响46-47
• 5.5.2 浇注温度对界面换热系数的影响47-48
• 5.6 本章小结48-49
• 6 结论及展望49-51
• 6.1 结论49-50
• 6.2 后续工作和展望50-51
• 致谢51-52
• 参考文献52-56
• 附录A 作者在攻读学位期间发表的论文目录56

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