铸造充型过程中成形类缺陷演化机理及数值模拟研究
发布时间：2021-11-24 10:22
缺陷预测及工艺优化是铸造宏观过程模拟的最终目的,而铸造充型过程中可能产生的成形类缺陷（如卷气、浇不足、冷隔和氧化夹渣等）,往往只能借助充型模拟结果间接地分析,未能充分利用数值模拟技术所带来的数字化分析优势。且随着对铸造模拟技术实用化要求的逐步提高,相关缺陷分析方法已满足不了实际生产需求。采用数值模拟手段对铸造充型过程中成形类缺陷进行深入研究,对提高铸件性能和优化铸造工艺有着十分巨大的价值。本文对铸造充型过程成形类缺陷数值模拟所涉及的各个方面进行了深入的研究和探讨,包括铸造充型过程多相流数学建模、冷隔缺陷演化机理及预测和氧化夹渣缺陷演化机理及预测等。同时,本文基于计算流体力学开源代码完成了相关求解器的开发工作,有助于广大科研工作者深入研究铸造充型过程数值模拟技术。首先,考虑到液固转变对铸造充型过程影响较大,提出了一基于固相率变化的糊状区流动行为计算模型,即高固相率糊状区采用临界固相率方法,低固相率糊状区采用变黏度模型,中等固相率糊状区采用多孔介质拖拽模型,有效地处理了液固转变过程中糊状区不同阶段的流动行为。建立了气液固多相流数学模型,用于计算充型过程中“空气-金属液-已凝固金属”三相间的...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
002~2016年中国铸件产量及增长率变化情况
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文本文将上述缺陷归结为成形类缺陷，即在铸造充型过程中可能产生的影响铸件表面形态和内部结构连续性的一类缺陷。因此，采用数值模拟手段对铸造充型过程中成形类缺陷进行深入研究，对提高铸件整体性能和优化铸造工艺有着十分巨大的价值。
但计算过程中对气液界面做了简化处理。因此，最适合考虑气相对充型过程影响的计算方法是两相流模型，即同时计算金属液相与气相的运动过程。但气液两相具有大密度比和大粘度比的相界面，给数值计算带来了很大的难度。Tavakoli 等[49]针对铸造充型过程，提出了基于 VOF 算法的多相流计算模型，采用 Projection 方法同时求解气液两相的流动场，并将气液两相均视为不可压缩流体。Chen 等[50]同样提出了基于 VOF 算法的不可压缩气液两相流动模型，并采用 SOLA算法进行压力修正。Hao 等[51]将金属液相视为不可压缩流体，将气相视为可压缩流体，采用 SOLA 算法求解气相两相的流动场，并通过 Level Set 算法表征气液两相界面。相比单相流模型而言，两相流模型直接求解气液两相的流动场，自然地考虑了气相的压力和速度对液相流动的影响，因此，两相流模型可以直接预测卷气缺陷。图 1-3a~b 为采用单相流模型计算充型过程的结果，即计算过程中不考虑气相的影响。可以看出，充型过程中金属液内部的气相区会“凭空消失”。图 1-3c~d 为采用两相流模型计算充型过程的结果，即计算过程中考虑气相的作用。可以看出，充型过程中金属液内部的气相在液相的作用下会发生运动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸造宏观过程数值模拟技术的研究现状与展望[J]. 廖敦明,曹流,孙飞,陈涛. 金属学报. 2018(02)
[2]铸造技术的发展现状与趋势[J]. 于波,孙逊. 铸造设备与工艺. 2017(02)
[3]ZL114A铝合金油路壳体低压铸造工艺研究[J]. 黄粒,杜旭初,罗传彪,樊振中,李大奎. 特种铸造及有色合金. 2016(08)
[4]铸造充型过程数值模拟技术的发展及现状评述[J]. 刘东戎,杨智鹏,王丽萍,郭二军. 哈尔滨理工大学学报. 2016(03)
[5]Radiation heat transfer model for complex superalloy turbine blade in directional solidification process based on finite element method[J]. Dun-ming Liao,Liu Cao,Tao Chen,Fei Sun,Yong-zhen Jia,Zi-hao Teng,Yu-long Tang. China Foundry. 2016(02)
[6]基于有限元法的多材质铸造温度场模拟软件开发[J]. 曹流,廖敦明,周聪,陈涛,庞盛永,周建新. 特种铸造及有色合金. 2015(11)
[7]镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究[J]. 闫学伟,唐宁,刘孝福,税国彦,许庆彦,柳百成. 金属学报. 2015(10)
[8]智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 周济. 中国机械工程. 2015(17)
[9]熔模铸造条件下Ti6Al4V合金铸件与陶瓷型壳间界面换热系数研究[J]. 邵珩,李岩,南海,许庆彦. 金属学报. 2015(08)
[10]压铸压室内部界面传热反算模型的建立和应用[J]. 曹永友,熊守美,郭志鹏. 金属学报. 2015(06)
博士论文
[1]铸造充型过程气液两相流动数值模拟的研究[D]. 郝静.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]基于有限元法的定向凝固过程温度场数值模拟的研究[D]. 曹流.华中科技大学 2015
[2]灰铸铁件消失模铸造过程模拟研究[D]. 张倩.沈阳理工大学 2012
[3]基于ABAQUS的铸件准固态区热应力场数值模拟技术[D]. 张彬.华中科技大学 2011
[4]铝合金异形件压铸成形工艺的数值模拟分析[D]. 吴菲.华南理工大学 2010
[5]消失模铸造充型过程数值模拟研究[D]. 陈亚娟.华中科技大学 2005
本文编号：3515787
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：158 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
002~2016年中国铸件产量及增长率变化情况
华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文本文将上述缺陷归结为成形类缺陷，即在铸造充型过程中可能产生的影响铸件表面形态和内部结构连续性的一类缺陷。因此，采用数值模拟手段对铸造充型过程中成形类缺陷进行深入研究，对提高铸件整体性能和优化铸造工艺有着十分巨大的价值。
但计算过程中对气液界面做了简化处理。因此，最适合考虑气相对充型过程影响的计算方法是两相流模型，即同时计算金属液相与气相的运动过程。但气液两相具有大密度比和大粘度比的相界面，给数值计算带来了很大的难度。Tavakoli 等[49]针对铸造充型过程，提出了基于 VOF 算法的多相流计算模型，采用 Projection 方法同时求解气液两相的流动场，并将气液两相均视为不可压缩流体。Chen 等[50]同样提出了基于 VOF 算法的不可压缩气液两相流动模型，并采用 SOLA算法进行压力修正。Hao 等[51]将金属液相视为不可压缩流体，将气相视为可压缩流体，采用 SOLA 算法求解气相两相的流动场，并通过 Level Set 算法表征气液两相界面。相比单相流模型而言，两相流模型直接求解气液两相的流动场，自然地考虑了气相的压力和速度对液相流动的影响，因此，两相流模型可以直接预测卷气缺陷。图 1-3a~b 为采用单相流模型计算充型过程的结果，即计算过程中不考虑气相的影响。可以看出，充型过程中金属液内部的气相区会“凭空消失”。图 1-3c~d 为采用两相流模型计算充型过程的结果，即计算过程中考虑气相的作用。可以看出，充型过程中金属液内部的气相在液相的作用下会发生运动。
【参考文献】：
期刊论文
[1]铸造宏观过程数值模拟技术的研究现状与展望[J]. 廖敦明,曹流,孙飞,陈涛. 金属学报. 2018(02)
[2]铸造技术的发展现状与趋势[J]. 于波,孙逊. 铸造设备与工艺. 2017(02)
[3]ZL114A铝合金油路壳体低压铸造工艺研究[J]. 黄粒,杜旭初,罗传彪,樊振中,李大奎. 特种铸造及有色合金. 2016(08)
[4]铸造充型过程数值模拟技术的发展及现状评述[J]. 刘东戎,杨智鹏,王丽萍,郭二军. 哈尔滨理工大学学报. 2016(03)
[5]Radiation heat transfer model for complex superalloy turbine blade in directional solidification process based on finite element method[J]. Dun-ming Liao,Liu Cao,Tao Chen,Fei Sun,Yong-zhen Jia,Zi-hao Teng,Yu-long Tang. China Foundry. 2016(02)
[6]基于有限元法的多材质铸造温度场模拟软件开发[J]. 曹流,廖敦明,周聪,陈涛,庞盛永,周建新. 特种铸造及有色合金. 2015(11)
[7]镍基高温合金铸件液态金属冷却定向凝固建模仿真及工艺规律研究[J]. 闫学伟,唐宁,刘孝福,税国彦,许庆彦,柳百成. 金属学报. 2015(10)
[8]智能制造——“中国制造2025”的主攻方向[J]. 周济. 中国机械工程. 2015(17)
[9]熔模铸造条件下Ti6Al4V合金铸件与陶瓷型壳间界面换热系数研究[J]. 邵珩,李岩,南海,许庆彦. 金属学报. 2015(08)
[10]压铸压室内部界面传热反算模型的建立和应用[J]. 曹永友,熊守美,郭志鹏. 金属学报. 2015(06)
博士论文
[1]铸造充型过程气液两相流动数值模拟的研究[D]. 郝静.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]基于有限元法的定向凝固过程温度场数值模拟的研究[D]. 曹流.华中科技大学 2015
[2]灰铸铁件消失模铸造过程模拟研究[D]. 张倩.沈阳理工大学 2012
[3]基于ABAQUS的铸件准固态区热应力场数值模拟技术[D]. 张彬.华中科技大学 2011
[4]铝合金异形件压铸成形工艺的数值模拟分析[D]. 吴菲.华南理工大学 2010
[5]消失模铸造充型过程数值模拟研究[D]. 陈亚娟.华中科技大学 2005
本文编号：3515787
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