球墨铸铁件缩孔缩松缺陷预测的数值模拟研究
发布时间：2022-01-17 02:01
球墨铸铁具有强度高、韧性好、生产成本低等优点,在汽车、船舶、农业机械以及轨道交通等行业具有重要应用,是目前应用最为广泛的铸造材料之一。然而,由于糊状凝固特性和石墨化膨胀效应,其缩孔缩松等缺陷成为球墨铸铁件中难以有效解决的问题。数值模拟技术可以辅助工程师更加精确地分析铸铁件中缩孔缩松缺陷的形成规律,从而设计出更为合理的工艺方案。本文针对球墨铸铁物性参数计算、凝固温度场数值仿真以及缩孔缩松预测等方面展开研究。主要内容包括:（1）基于热物性参数的计算理论,利用材料性能模拟软件JMatPro获得了准确的球墨铸铁凝固热物性参数。（2）从流体力学基本能量方程出发,推导出变物性参数下的凝固温度场数学模型,并利用有限体积法对其进行数值离散,实现了复杂装配条件下铸件的凝固温度场的数值计算。（3）利用球墨铸铁的密度-温度曲线对石墨化膨胀进行定量化表征,并基于孤立补缩区域的净膨胀率确定了铸件局部膨胀/收缩量,结合所提出的缩孔缩松分配模型实现了球墨铸铁凝固过程中缩孔缩松缺陷的定量预测。（4）针对简单圆柱铸锭以及球铁基座铸件的铸造成形过程,采用已开发的铸铁凝固模拟程序对其进行缩孔缩松预测,并与实际生产结果进行对...
【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】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
潜热释放过程的时间离散Figure3-7Timediscretizationoflatentheatreleaseprocess
华中科技大学硕士学位论文30nnnnnppppppbcTL(3-24)根据当前时刻的温度场和物性参数表，初始化系数矩阵A和向量b的所有元素，求解线性方程组(3-22)即可得到下一时刻的温度场分布。通常情况下，单元个数N的数量级是百万级的，A中元素个数为12NN100D。考虑到系数矩阵A中绝大多数元素的值为0，本文采用行压缩格式[75](CRS)的稀疏矩阵存储系数矩阵A，并采用预条件共轭梯度算法[76](PCG)求解方程组。3.3铸件凝固温度场模拟的实现3.3.1多材质网格剖分实际铸造工艺中，需要考虑的材料不止一种。以重力铸造为例，涉及到的工艺部件有金属液、铸型、型芯、冷铁、冒口套等等，这些部件往往都是由不同材质构成的。比如铸型一般是砂子，冷铁一般为铜质，冒口套则为各种保温材料。若要准确计算铸件冷却过程中的温度变化，需要同时计算所有部件的温度变化及其之间的热相互作用。图3-8网格剖分示例Figure3-8Meshdefinitiondiagram本文采用统一的网格对多个部件进行网格剖分。首先将各个部件的三维几何按照几何关系装配到一起，然后对整个装配体进行网格剖分，对剖分好的每个单元，按照其所属部件的编号，赋予一个部件标识。如图3-8所示，装配体共有5个部件，剖分
华中科技大学硕士学位论文31的网格内，每个单元分别有一个数字作为标识。各个部件的接触面对应网格中各个单元的接触面，并且接触面上两个相邻网格的节点一致，这样的网格称为共节点网格。重力铸造中，铸件的热量通过扩散作用传递到铸型，铸型的热量通过其表面与空气的换热作用传递给空气，空气通过对流作用将热量带到大气。因此，在剖分网格的时候，本文在装配体外剖分一层空气网格，用以计算铸件和空气的换热作用。3.3.2边界条件和换热系数本文假设与铸件接触的空气层保持固定的温度aT，求解区域的边界条件就是一个迪利克雷边界条件1,npaTTpair;¨;è8(3-25)空气层包裹了整个装配空间，因此整个求解域的最外层，都施加了迪利克雷边界条件。不同部件之间存在接触面，因为实际生产时，这些接触面不可能完全贴合，因此存在热阻，本文通过定义界面换热系数来表征这一现象。同时，空气和铸型表面的换热系数可以表征对流换热作用。图3-9接触面两边温度分布与热阻示意图Figure3-9Schematicdiagramoftemperaturedistributionandthermalresistanceonbothsidesofcontactsurface如图3-9所示，设两个相邻单元P和N分别属于不同的部件，单元中心的温度分别为TP和TN，定义h为接触面S上的换热系数，面S上靠近P侧的温度为T1，靠近N侧的温度为T2，P到面心Q的距离为d1，N到Q的距离为d2，kP和kN分别为单元P和N的导热系数，则线段PQN上的温度分布如图中红色虚线所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]GKMS60铜合金低压铸造过程界面传热反算求解及应用[J]. 胡柏乐,曹流,孙飞,唐玉龙,廖敦明. 特种铸造及有色合金. 2017(12)
[2]数值模拟技术在充型凝固过程中的应用[J]. 郭红星,杨志强. 铸造技术. 2016(12)
[3]铸件和铸型间界面传热系数的试验研究[J]. 陈玲,钟蜀津,殷飞. 机械设计. 2011(12)
[4]铸件与铸型间界面传热系数的一种简化反求法[J]. 许征兵,曾建民. 机械工程材料. 2010(12)
[5]基于投影-水平集方法充型过程气-液两相流数值模拟[J]. 张明远,陈立亮,庞盛永,殷亚军,陈涛. 铸造. 2010(05)
[6]球墨铸铁卷筒铸件的无冒口铸造[J]. 张立权. 金属加工(热加工). 2010(03)
[7]铸造技术与计算机模拟发展趋势[J]. 柳百成. 铸造技术. 2005(07)
[8]铸件凝固潜热的处理方法与应用研究[J]. 李东辉,高云宝,辛启斌,邱以清,刘相华,王国栋. 铸造. 2004(12)
[9]快速冷却条件下凝固潜热处理模型的研究[J]. 姚山,宫雪娜,戴利欣,麻春英,金俊泽,阿布里提·阿布都拉. 热科学与技术. 2004(04)
[10]对"均衡凝固技术"几个基本问题的讨论——球墨铸铁缩松、缩孔问题探讨（三）[J]. 周亘. 现代铸铁. 2004(05)
博士论文
[1]基于宏—微观模型的球墨铸铁凝固过程数值模拟[D]. 郑洪亮.山东大学 2007
硕士论文
[1]砂型铸造过程中型芯与铸件界面换热系数的研究[D]. 张令.沈阳工业大学 2019
[2]基于GA-BP模型的材料热物性参数反求系统开发与应用[D]. 张杰.华中科技大学 2018
本文编号：3593829
【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】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
潜热释放过程的时间离散Figure3-7Timediscretizationoflatentheatreleaseprocess
华中科技大学硕士学位论文30nnnnnppppppbcTL(3-24)根据当前时刻的温度场和物性参数表，初始化系数矩阵A和向量b的所有元素，求解线性方程组(3-22)即可得到下一时刻的温度场分布。通常情况下，单元个数N的数量级是百万级的，A中元素个数为12NN100D。考虑到系数矩阵A中绝大多数元素的值为0，本文采用行压缩格式[75](CRS)的稀疏矩阵存储系数矩阵A，并采用预条件共轭梯度算法[76](PCG)求解方程组。3.3铸件凝固温度场模拟的实现3.3.1多材质网格剖分实际铸造工艺中，需要考虑的材料不止一种。以重力铸造为例，涉及到的工艺部件有金属液、铸型、型芯、冷铁、冒口套等等，这些部件往往都是由不同材质构成的。比如铸型一般是砂子，冷铁一般为铜质，冒口套则为各种保温材料。若要准确计算铸件冷却过程中的温度变化，需要同时计算所有部件的温度变化及其之间的热相互作用。图3-8网格剖分示例Figure3-8Meshdefinitiondiagram本文采用统一的网格对多个部件进行网格剖分。首先将各个部件的三维几何按照几何关系装配到一起，然后对整个装配体进行网格剖分，对剖分好的每个单元，按照其所属部件的编号，赋予一个部件标识。如图3-8所示，装配体共有5个部件，剖分
华中科技大学硕士学位论文31的网格内，每个单元分别有一个数字作为标识。各个部件的接触面对应网格中各个单元的接触面，并且接触面上两个相邻网格的节点一致，这样的网格称为共节点网格。重力铸造中，铸件的热量通过扩散作用传递到铸型，铸型的热量通过其表面与空气的换热作用传递给空气，空气通过对流作用将热量带到大气。因此，在剖分网格的时候，本文在装配体外剖分一层空气网格，用以计算铸件和空气的换热作用。3.3.2边界条件和换热系数本文假设与铸件接触的空气层保持固定的温度aT，求解区域的边界条件就是一个迪利克雷边界条件1,npaTTpair;¨;è8(3-25)空气层包裹了整个装配空间，因此整个求解域的最外层，都施加了迪利克雷边界条件。不同部件之间存在接触面，因为实际生产时，这些接触面不可能完全贴合，因此存在热阻，本文通过定义界面换热系数来表征这一现象。同时，空气和铸型表面的换热系数可以表征对流换热作用。图3-9接触面两边温度分布与热阻示意图Figure3-9Schematicdiagramoftemperaturedistributionandthermalresistanceonbothsidesofcontactsurface如图3-9所示，设两个相邻单元P和N分别属于不同的部件，单元中心的温度分别为TP和TN，定义h为接触面S上的换热系数，面S上靠近P侧的温度为T1，靠近N侧的温度为T2，P到面心Q的距离为d1，N到Q的距离为d2，kP和kN分别为单元P和N的导热系数，则线段PQN上的温度分布如图中红色虚线所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]GKMS60铜合金低压铸造过程界面传热反算求解及应用[J]. 胡柏乐,曹流,孙飞,唐玉龙,廖敦明. 特种铸造及有色合金. 2017(12)
[2]数值模拟技术在充型凝固过程中的应用[J]. 郭红星,杨志强. 铸造技术. 2016(12)
[3]铸件和铸型间界面传热系数的试验研究[J]. 陈玲,钟蜀津,殷飞. 机械设计. 2011(12)
[4]铸件与铸型间界面传热系数的一种简化反求法[J]. 许征兵,曾建民. 机械工程材料. 2010(12)
[5]基于投影-水平集方法充型过程气-液两相流数值模拟[J]. 张明远,陈立亮,庞盛永,殷亚军,陈涛. 铸造. 2010(05)
[6]球墨铸铁卷筒铸件的无冒口铸造[J]. 张立权. 金属加工(热加工). 2010(03)
[7]铸造技术与计算机模拟发展趋势[J]. 柳百成. 铸造技术. 2005(07)
[8]铸件凝固潜热的处理方法与应用研究[J]. 李东辉,高云宝,辛启斌,邱以清,刘相华,王国栋. 铸造. 2004(12)
[9]快速冷却条件下凝固潜热处理模型的研究[J]. 姚山,宫雪娜,戴利欣,麻春英,金俊泽,阿布里提·阿布都拉. 热科学与技术. 2004(04)
[10]对"均衡凝固技术"几个基本问题的讨论——球墨铸铁缩松、缩孔问题探讨（三）[J]. 周亘. 现代铸铁. 2004(05)
博士论文
[1]基于宏—微观模型的球墨铸铁凝固过程数值模拟[D]. 郑洪亮.山东大学 2007
硕士论文
[1]砂型铸造过程中型芯与铸件界面换热系数的研究[D]. 张令.沈阳工业大学 2019
[2]基于GA-BP模型的材料热物性参数反求系统开发与应用[D]. 张杰.华中科技大学 2018
本文编号：3593829
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