基于SPH方法的铸造充型过程的数值模拟研究

发布时间：2017-07-01 09:21

  本文关键词：基于SPH方法的铸造充型过程的数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铸造充型过程作为铸件成形的重要阶段,直接影响着铸件的成形质量。铸造充型过程中可能产生夹渣、浇注不足等缺陷,由于在传统的铸造过程中,其充型过程是不可见的,而通过采用铸造充型计算机数值模拟计算技术,可以预测充型过程中金属液的流动状态,从而优化铸件工艺设计和参数,保障铸件产品质量,克服试制周期长、质量控制难、试制成本高等缺点。所以进行铸造充型过程数值模拟研究具有十分重要的科学价值和应用前景。现行的铸造充型过程数值模拟多采用FEM或FDM等基于网格的数值模拟计算方法,但是基于有网格的数值模拟方法通常难以处理极大网格变形和运动交界面追踪等问题,且大多不能有效的进行铸造充型过程多相流动的计算。光滑粒子流体动力学即SPH方法是一种纯Lagrange形式的无网格粒子法,它在处理自由表面、运动交界面以及多相流问题上较基于网格的计算方法有着巨大的优势。SPH方法在铸造数值模拟计算领域的研究相对较少,需要进一步探讨研究,所以该数值模拟方法有着巨大的发展前景。本文主要在以下几个方面对SPH方法在铸造充型过程的数值模拟应用进行了研究:在系统的研究SPH的基本原理基础上,推导出符合金属液充型流动过程的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒等控制方程的SPH方法的粒子离散形式,并对控制方程进行了相应的修正。建立了SPH方法在铸造充型过程中边界固壁粒子模型、粒子搜索方法、光滑函数选取,时间积分等计算优化修正方法。在建立SPH方法数学模型的基础上,基于FORTRAN语言,开发出了铸造充型过程的计算机数值模拟程序。通过建立的计算机程序,我们对Benchmark铸件的充型过程进行了数值模拟计算,将计算的结果同实际的浇注充型过程做了对比和分析,对计算结果粒子的密度场进行了分析,计算结果符合金属液的不可压缩性特性。并与铸造数值模拟软件Win-Cast数值模拟计算结果相比较,基于建立的SPH计算程序数值模拟结果和实验结果更加一致,表明了建立的SPH计算程序的优势。基于SPH计算程序计算结果、实验结果以及Win-Cast数值模拟计算结果对比表明了建立的SPH数值模拟计算程序有效性和可靠性。对SPH方法在铸造充型过程的固液两相流模型进行了研究。建立了固液两相流的数学模型和计算机程序。基于该程序,对一个简化的渣团模型随金属液流动充型过程进行了数值模拟计算,分析了渣团随金属液的流动过程,并将充型结束后,渣团的位置和实际的浇注结果相对比。对比结果显示,基于建立的SPH计算程序数值模拟结果和实验结果中渣团的运动和最终所处铸件位置基本一致。验证了所建立的SPH铸造充型过程固液两相流模拟计算程序可行性。
【关键词】：铸造充型 光滑粒子流体动力学 固液两相流 数学模型 数值模拟
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG24
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 铸造充型过程数值模拟方法研究现状12-15
• 1.2.1 基于网格的有限元数值模拟方法12-13
• 1.2.2 基于网格的有限差分数值模拟方法13-15
• 1.3 无网格SPH方法数值模拟的研究现状15-17
• 1.3.1 基于SPH方法的不可压缩流的研究现状15-16
• 1.3.2 SPH方法在自由表面和多相流的研究现状16
• 1.3.3 SPH方法在铸造充型过程的研究现状16-17
• 1.4 本文选题意义和主要研究内容17-19
• 1.4.1 选题意义17
• 1.4.2 研究内容17-19
• 第二章 SPH方法的基本理论19-35
• 2.1 SPH方法的基本思想19-20
• 2.2 SPH方法的近似方法20-23
• 2.2.1 SPH函数积分表示方法20-22
• 2.2.2 SPH函数的导数积分近似过程22
• 2.2.3 SPH方法的粒子近似过程22-23
• 2.3 SPH方法的核函数23-30
• 2.3.1 SPH方法核函数的特性及构造方法23-24
• 2.3.2 SPH方法的常用核函数24-30
• 2.4 SPH粒子搜索方法30-33
• 2.4.1 全配对粒子搜索法30-31
• 2.4.2 链表粒子搜索法31-32
• 2.4.3 树形粒子搜索法32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 SPH方法铸造充型过程数值模拟建模35-59
• 3.1 引言35
• 3.2 拉格朗日型的流体动力学基本控制方程35-36
• 3.3 SPH控制方程以及离散形式36-39
• 3.3.1 SPH形式的质量守恒方程36-38
• 3.3.2 SPH形式的动量守恒方程38
• 3.3.3 SPH形式的能量守恒方程38-39
• 3.4 SPH方法铸造充型过程相关数值处理方法39-47
• 3.4.1 人工粘度39-40
• 3.4.2 人工压缩率40-41
• 3.4.3 可变光滑长度41-42
• 3.4.4 固壁边界构建42-45
• 3.4.5 光滑函数的修正45-46
• 3.4.6 密度重新初始化46
• 3.4.7 时间积分46-47
• 3.5 SPH方法FORTRAN语言程序的实现47-49
• 3.6 BENCHMARK件充型过程数值模拟计算及实验对照49-56
• 3.6.1 Benchmark件铸造充型过程与实验过程对比50-53
• 3.6.2 基于Win-Cast的Benchmark件充型过程结果53-55
• 3.6.3 Benchmark件充型过程中密度场分析55-56
• 3.7 本章小结56-59
• 第四章 SPH方法铸造充型过程固液两相流的研究59-69
• 4.1 引言59
• 4.2 SPH方法充型过程固液两相流模型的研究59-66
• 4.2.1 充型过程固液两相流模型建立60-61
• 4.2.2 充型过程固液两相流模型方案的实现61-63
• 4.2.3 充型过程简化固液两相流模型的模拟结果及分析63-66
• 4.4 本章小结66-69
• 第五章 结论与展望69-71
• 5.1 本文的主要工作及结论69-70
• 5.2 进一步工作的展望70-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文80

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