颗粒增强复合材料充型过程多相流数值模拟的研究

发布时间：2016-11-28 09:15

  本文关键词：颗粒增强复合材料充型过程多相流数值模拟的研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华南理工大学》 2015年

颗粒增强复合材料充型过程多相流数值模拟的研究

陈飞帆  

【摘要】：颗粒增强金属基复合材料(Particle-reinforced Metal Matrix Composites,简称PMMCs)具有高比模量、高比强度、各向同性等优良的综合性能,在现代航空航天、交通运输、电子封装等方面得到广泛应用。铸造法因其低成本、生产效率高、可成形复杂形状构件等优点,成为PMMCs最主要的制备方法。铸造过程中,熔体的流动行为对颗粒分布具有重要影响,决定着铸件的最终性能。为掌握PMMCs充型过程熔体流动特点,改善铸造工艺和颗粒分布的均匀性,推动PMMCs的发展与应用,本文通过数值模拟与实验研究相结合的方法,对PMMCs充型过程熔体的流动及颗粒分布规律进行了探讨。基于铸造和多相流理论,采用欧拉-拉格朗日(Eulerian-Lagrangian,简称EL)法建立了PMMCs充型过程多相流数学模型,其中液态金属看作连续相,采用欧拉法建立其质量、动量和能量守恒方程;增强颗粒为离散相,采用拉格朗日坐标建立其运动方程。采用直接有限差分法(DFDM)对PMMCs充型过程多相流数学模型进行离散化,并通过SOLA法迭代求解速度场和压力场。研究了PMMCs充型过程颗粒的碰撞,并提出了硬球模型和软球模型相结合的颗粒碰撞模型,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)法确定某一颗粒与其他颗粒的碰撞概率,用修正的Nanbu法确定可能的碰撞对象,通过碰撞力进行描述颗粒的碰撞作用。提出了PMMCs充型过程边界条件的处理方法,浇口边界条件中,连续相根据具体成形工艺可采用速度或压力边界条件,而固体颗粒相采用速度边界条件;流体与型壁间采用无滑移边界条件。基于所建立的数学模型,设计了模型中各项的计算流程,并采用C++语言设计和开发了相应的PMMCs充型过程多相流计算程序。设计和完成了A356/Si Cp垂直向上吸铸充型实验,定量分析了铸件沿充型方向不同高度截面Si C颗粒的含量,探讨了Si C颗粒在复合材料铸件中的分布规律;采用所开发的PMMCs充型过程多相流程序对该吸铸充型过程进行了模拟计算,并对实验和模拟结果进行对比验证和分析。分析了铸件中心部位和近表面处Si C颗粒含量变化规律及其原因。首次完成了PMMCs充型过程X射线实时观察实验。分析了A356/Si Cp复合材料熔模铸造充型过程流动行为,并分析了铸件不同位置处Si C颗粒含量;使用所开发的PMMCs充型过程多相流模拟程序,对A356/Si Cp熔模铸造充型过程进行了模拟计算,并对实验和模拟结果进行对比验证和分析。探讨了复合材料充型流动行为对于颗粒分布的影响。

【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG21;TB33
【目录】：

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