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基于连续介质模型的铸钢件宏观偏析缺陷数值模拟研究

作　者: 许威
导　师: 周建新
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 宏观偏析铸钢件连续介质模型自然对流等轴晶移动电磁场数值模拟
分类号: TF771.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

铸钢件凝固过程中常常出现宏观偏析缺陷，导致铸件各部位的微观组织和力学性能产生很大差异。宏观偏析在后续加工工序中难以消除，将残留到最终产品零件中，影响铸件的使用寿命与工作性能，甚至造成安全隐患。然而实验研究宏观偏析形成过程中的传输现象较为困难，难以保证铸钢件产品质量，且还存在铸件开发周期长、资源浪费大等多种问题。因此采用数值模拟技术分析铸钢件凝固过程中宏观偏析的产生，探讨宏观偏析缺陷形成机理以及寻求控制宏观偏析缺陷的先进工艺手段，对提高铸钢件产品质量具有十分重要的科学与工程实用价值。首先，本文在明确宏观偏析产生机理及其主要影响因素的前提下，基于混合理论，在连续介质模型的基础上建立了热溶质自然对流作用下多元合金凝固过程中宏观偏析缺陷预测三维耦合数学模型。采用有限体积法和提出的修正Projection方法等数值求解技术，自主开发了多元合金凝固过程中宏观偏析缺陷数值模拟系统，并进行Benchmark试验件数值模拟来验证模拟系统的可靠性。其次，针对具体的二维与三维铸钢件实例，系统地分析了自然对流作用下不同类型宏观偏析(正偏析，A型偏析，负偏析)缺陷的形成过程。随后进一步探讨了不同网格精度、冷却速度、铸件尺寸与形状，二次枝晶间距对宏观偏析缺陷形成的影响。其中还对比研究了3.3t大钢锭实验与数值模拟结果，验证了铸钢件数值模拟系统的实用性。再次，基于枝晶搭接理论，利用粘度与渗透率转换函数建立了考虑自由等轴晶移动下多元合金凝固过程中宏观偏析预测数学模型。对等轴晶移动下二维与三维铸钢件凝固过程进行了数值模拟，分析了负溶质等轴晶移动对宏观偏析缺陷形成的影响。最后，建立了直流稳恒电磁场作用下多元合金凝固过程中宏观偏析缺陷预测数学模型。并对电磁作用下二维与三维铸钢件凝固过程中多场耦合传输行为进行了较为系统的研究，讨论了不同磁场强度对宏观偏析形成的影响。结果表明采用电磁加工工艺可以有效控制宏观偏析缺陷，且数值模拟技术能够提供科学的依据来选择合适的电磁场。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
1 绪论  10-18
  1.1 课题背景与意义  10-11
  1.2 国内外相关研究现状  11-15
  1.3 主要的研究内容和目标  15-18
2 宏观偏析及其数学模型  18-27
  2.1 前言  18
  2.2 宏观偏析  18-22
  2.3 数学模型  22-26
  2.4 小结  26-27
3 数值求解方法  27-47
  3.1 前言  27
  3.2 有限体积法  27-30
  3.3 流动过程高效数值求解技术  30-35
  3.4 传热/传质过程求解技术  35-41
  3.5 数值求解计算流程  41-42
  3.6 Benchmark 试验件算例测试  42-46
  3.7 小结  46-47
4 自然对流作用下铸钢件宏观偏析数值模拟研究  47-67
  4.1 前言  47
  4.2 二维 Fe-C 合金算例研究  47-54
  4.3 三维铸钢件模拟研究  54-65
  4.4 小结  65-67
5 等轴晶移动下铸钢件宏观偏析数值模拟研究  67-75
  5.1 前言  67
  5.2 数学模型  67-69
  5.3 转换函数  69-70
  5.4 二维 Fe-C 合金算例研究  70-72
  5.5 三维铸钢锭模拟研究  72-74
  5.6 小结  74-75
6 电磁场作用下铸钢件宏观偏析数值模拟研究  75-86
  6.1 前言  75-76
  6.2 数学模型  76-77
  6.3 二维多元合金算例研究  77-80
  6.4 三维铸钢锭模拟研究  80-84
  6.5 小结  84-86
7 总结与展望  86-89
  7.1 研究总结  86-87
  7.2 研究展望  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-97
附录 1 攻读学位期间发表论文  97

基于连续介质模型的铸钢件宏观偏析缺陷数值模拟研究

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