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铸造凝固过程温度场与应力场有限元数值模拟

作　者: 陶鑫
导　师: 程赫明
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 铸造凝固 温度场 应力场 ANSYS 有限元分析
分类号: O343.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


用信息技术推动传统铸造行业的发展是铸造技术的重要发展趋势。计算机技术在铸造生产中的应用已成为高质量生产的必备条件,也是铸造生产现代化的主要发展方向。铸造系统凝固过程温度场、热应力场有限元法正在大力推动铸造业的发展,对于优化工艺设计、防止缩孔、缩松、偏析,热裂纹等缺陷,降低残余应力,提高铸件质量有重要作用了。本文首先总结了凝固过程数值模拟发展并对今后的发展趋势加以展望。建立了瞬态温度场、热应力场弹塑性三维有限元模型;以及温度场中初始条件、边界条件、潜热处理的数学模型。根据铸造过程热、应力场特性,建立了铸件凝固过程中凝固后阶段热弹塑性模型本构方程,并对铸件/铸型边界条件、材料高温力学性能参数取值作了全面分析,确定采用间接法进行热应力计算。开发了基于ANSYS软件的温度场、热应力场分析方法。考虑了材料性能随温度变化的特性,采用非线性分析。对典型铸件三维温度场、热应力场进行有限元分析。依据ANSYS模拟分析结果,不但可以采用更加合理的温度分布而提高铸件的合格率,还可以选择更加适当的浇注温度、砂型(材料、尺寸)及冷却位置等,从而能达到优化铸造工艺、服务实际生产的目的。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 课题意义  10-11
  1.2 国内外研究综述  11-17
    1.2.1 数值模拟的基本方法  11-12
    1.2.2 国内外温度场数值模拟研究现状  12-15
    1.2.3 铸造过程中数值模拟的工程应用  15-17
  1.3 本论文的主要研究内容和技术路线  17-18
第二章 铸件凝固过程温度场计算理论  18-26
  2.1 温度场的定义  18-19
  2.2 传热基本方式及导热微分方程的建立  19-20
  2.3 铸件凝固过程温度场的数学模型  20-21
  2.4 铸件凝固温度场数值方程的求解条件  21-24
    2.4.1 初始条件的确定  22-23
    2.4.2 边界条件的确定  23-24
  2.5 铸件凝固温度场模拟仿真的基本假设  24
  2.6 潜热的处理方法  24-25
  2.7 小结  25-26
第三章 铸造凝固过程的热应力理论  26-39
  3.1 铸造过程热应力场的特性  26-28
    3.1.1 铸造热应力  26-27
    3.1.2 热—力耦合效应  27-28
  3.2 热弹塑性理论  28-33
    3.2.1 基本假设  28-29
    3.2.2 弹塑性力学中的几个基本待求变量  29
    3.2.3 平衡微分方程  29
    3.2.4 几何方程  29-30
    3.2.5 热弹性本构方程  30-32
    3.2.6 变形协调方程  32
    3.2.7 边界条件  32-33
  3.3 塑性力学特点  33-34
  3.4 弹塑性力学的四种简化力学模型  34-36
  3.5 屈服准则(屈服条件)  36-37
  3.6 广义应力与广义应变  37
  3.7 加载与卸载  37-38
  3.8 小结  38-39
第四章 铸造凝固过程温度场及应力场有限元分析过程  39-45
  4.1 有限元软件简介及在本文中的应用  39-42
    4.1.1 有限元软件简介  39-40
    4.1.2 有限元分析过程  40
    4.1.3 生死单元功能  40-41
    4.1.4 热分析方法  41-42
  4.2 数值模拟中ANSYS求解器及塑性选项  42-44
    4.2.1 ANSYS求解器  42-43
    4.2.2 ANSYS的塑性材料选项  43-44
  4.3 小结  44-45
第五章 铸造凝固过程温度场及应力场有限元数值模拟分析  45-66
  5.1 基本资料  45-46
    5.1.1 铸件情况简介  45-46
    5.1.2 铸件浇注的初始条件及边界条件  46
  5.2 铸件温度场三维数值模拟  46-54
    5.2.1 基本参数  46-47
    5.2.2 三维瞬态温度场计算流程图  47
    5.2.3 模型概述  47-48
    5.2.4 铸件温度场的模拟结果及分析  48-54
  5.3 铸件热应力场的数值模拟  54-65
    5.3.1 基本参数  54-55
    5.3.2 三维瞬态温度场计算流程图  55
    5.3.3 模型概述  55-56
    5.3.4 材料高温力学性能  56
    5.3.5 材料非线性问题的求解方案  56-58
    5.3.6 铸件热应力有限元分析结果  58-65
  5.4 小结  65-66
第六章 结论与展望  66-68
  6.1 结论  66-67
  6.2 展望  67-68
致谢  68-69
参考文献  69-74
附录A  74

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中图分类: > 数理科学和化学 > 力学 > 固体力学 > 弹性力学 > 热弹性力学（热应力）
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