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球铁件凝固过程数值模拟技术研究

作　者: 毛红奎
导　师: 靳玉春；徐宏
学　校: 华北工学院
专　业: 材料加工
关键词: 球墨铸铁三维温度场数值模拟有限差分石墨化膨胀动态多熔池型腔扩大
分类号: TG255
类　型: 硕士论文
年　份: 2003年
下　载: 314次
引　用: 3次
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内容摘要

球墨铸铁是一种重要的金属材料，具有强度高、韧性好、成本低、易于组织生成等优点，现已经广泛地应用于汽车、农机、船舶制造、冶金工业、管道工程等许多重要的工业部门。但是由于球墨铸铁具有糊状凝固的特性，并且在凝固过程中会产生石墨化膨胀，使得铸件容易产生很大的收缩缺陷，出品率很低，这个问题是球墨铸铁件生产中存在的一个突出问题，长期以来一直没有得到彻底地解决。铸件凝固过程数值模拟是利用计算机技术可视化地显示铸造全过程的一种新的技术手段，这项新技术的采用和集成，能优化产品结构，提高产品质量，缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力，对推动铸造技术进步具有举足轻重的作用。本论文对球墨铸铁件凝固过程三维温度场数值模拟技术做了理论探讨及程序开发工作。球墨铸铁凝固过程中的体积变化可以分成如下几个阶段：浇注后，铁水随温度的下降，发生液态收缩；在液相线温度下，开始析出初生相，奥氏体或者石墨，产生了除温度下降导致的收缩外的凝固收缩或膨胀；到达共晶凝固时，发生奥氏体—石墨结晶，在此期间，石墨的析出导致膨胀，由于体积变化的相对量的不同，膨胀大于收缩，表现出铸件在此期间发生膨胀；在凝固的后期，石墨析出量越来越少，膨胀越来越小，剩余液体象钢水一样凝固，导致收缩占优势，表现出铸件在凝固后期发生收缩，称之为二次收缩。对于球铁件收缩缺陷影响最大的因素是：铸型条件、铸件模数及结构、铁水成份、孕育处理、浇注温度。在本文中针对球墨铸铁的凝固特点和影响球铁件收缩缺陷的因素，建立了球墨铸铁凝固过程的数学模型，对球铁件凝固过程中发生的体积变化进行了模拟计算，最后取得良好的效果。本论文主要在以下几个方面，做了一些具体工作：对于动态多熔池的搜索方法进行了改进，提高了搜索速度；根据结晶规律，使用热焓法对凝固潜热进行处理，潜热处理计算结果与实际潜热释放接近，大大提高了模拟的准确性；据球铁凝固特点进行温度场计算，综合考虑初生石墨、液态收缩、石墨化膨胀、型腔扩大对铸件缩孔缩松的影响，并在此基础上对缩孔缩松的大小和位置进行了预测，其计算结果与ProCast软件计算结果相近。除此之外，本文对温度场流场的耦合计算进行了有益的探索，把流场计算结果作为温度场计算的初始温度，使得模拟结果更接近于实际情况。

全文目录

第一章绪论  8-19
  1.1 、选题背景及意义  8-10
    1.1.1 选题的背景  8-9
    1.1.2 选题意义  9-10
  1.2 凝固过程数值模拟技术的发展  10-13
    1.2.1 铸造计算机模拟技术的发展  10-11
    1.2.2 有关球墨铸铁凝固数值模拟技术的研究  11-13
  1.3 影响球墨铸铁件收缩缺陷的因素  13-17
  1.4 本文研究的主要内容  17-19
第二章球铁件凝固过程三维温度场数值模拟技术研究  19-33
  2.1 引言  19
  2.2 凝固过程导热微分方程的建立  19-20
  2.3 微分方程的离散化  20-22
  2.4 三维不稳定导热偏微分方程的求解  22-30
    2.4.1 初始条件  22-24
    2.4.2 边界条件的确定  24-25
    2.4.3 结晶潜热的处理  25-30
      2.4.3.1 球墨铸铁固相率变化规律  26-28
      2.4.3.2 潜热处理方法  28-29
      2.4.3.3 用热焓法进行潜热处理  29-30
  2.5 温度场计算结果对比  30-33
第三章球铁件收缩缺陷研究  33-48
  3.1 封闭区以及孤立区的动态搜索  33-38
    3.1.1 搜索封闭区方法  34-37
    3.1.2 孤立区搜索的方法  37-38
  3.2 体积膨胀率计算及最终孤立区体积变化处理  38-42
    3.2.1 、孤立区净体积变化率的计算  38-42
  3.3 、型腔扩大处理  42-44
  3.4 程序流程  44
  3.5 计算结果验证  44-48
    3.5.1 阀体件计算结果  44-46
    3.5.2 实验件计算结果  46-48
第四章流场温度场耦合计算  48-58
  4.1 引言  48
  4.2 充型过程的计算模型  48-49
  4.3 流场计算方法SOLA-VOF法  49-52
    4.3.1 SOLA法求解压力场和速度场  49-50
    4.3.2 VOF法处理自由表面  50-51
    4.3.3 自由表面法线方向的确定  51-52
    4.3.4 自由表面位置的确定  52
  4.4 温度场与流场耦合  52-54
  4.5 流场温度场耦合程序的编制  54-56
  4.6 与未耦合计算前的计算结果对照  56-58
第五章铸造CAE模拟分析系统  58-61
  5.1 、前处理模块  58
  5.2 、模拟计算模块  58-59
  5.3、模拟计算模块  59-60
    5.3.1、流动场计算模块  59-60
    5.3.2、温度场计算模块   60
  5.4 、后处理模块  60-61
结论  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-65

球铁件凝固过程数值模拟技术研究

内容摘要

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