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金属粉末注射成形计算机模拟

作　者: 蒋忠兵
导　师: 李笃信；李昆
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 金属粉末注射成形充模流动两相流模型数值模拟 ANSYS/CFX
分类号: TF124.39
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 35次
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内容摘要

本文用有限元软件ANSYS中的CFX模块对金属粉末注射成形(Metal Injection Molding, MIM)充模过程进行了数值模拟,针对MIM充模过程模拟中亟待解决的一些问题进行了一系列的基础理论研究和数值模拟分析。在详细分析MIM喂料充模机理的基础上,假定喂料熔体为混合均匀、不可压缩的非牛顿流体,充模流动为层流。结合流体动力学和热力学理论,假设固体粉末颗粒用Euler法描述为拟流体,认为粉末颗粒与粘结剂是共同存在且相互渗透的连续流体,从Boltzmann方程出发详细推导了充模过程的质量、动量和能量守恒方程,建立了MIM粉末—粘结剂两相流模型。针对金属粉末注射成形喂料熔体的流变特性选择综合流变本构方程进行描述,并通过粘度实验数据进行了拟合修正。给出了MIM充模流动边界条件和传热边值条件的数学描述,采用VOF法对喂料熔体前沿流动进行跟踪分析。基于大型有限元分析软件ANSYS的CFX模块,给出了MIM充模过程的数学模型的算法和流程图,对MIM喂料的粘度模型进行了二次开发,并用CEL语言对其进行编译和系统集成,首次成功地将两相流模型通过ANSYS CFX应用于MIM充模过程的模拟。以试样件Ⅰ为例,模拟了MIM喂料在该试样件模腔内的流动情况,通过ANSYS CFX提供的后处理,讨论了浇口位置、注射温度、注射速度、注射压力等工艺参数对熔体充模过程的影响,并预测了MIM充模过程中部分常见缺陷产生的条件。通过对工艺参数优化的模拟结果分析,与实际注射生产的注射坯的性能一致,从而证明了两相流模型对于充模流动3D模拟的可行性和准确性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章文献综述  9-23
  1.1 粉末注射成形概述  9-10
  1.2 金属粉末注射成形过程计算机模拟的意义  10-13
    1.2.1 金属粉末注射成形过程计算机模拟概述  10-12
    1.2.2 计算机模拟的优点  12-13
    1.2.3 金属粉末注射成形过程计算机模拟的意义  13
  1.3 金属粉末注射成形过程计算机模拟的发展  13-18
    1.3.1 塑料注射成形与金属粉末注射成形的对比分析  14
    1.3.2 塑料注射成形充模流动模拟  14-15
    1.3.3 金属粉末注射成形充模流动模拟  15-18
  1.4 金属粉末注射成形充模流动模拟亟待解决的问题  18-20
    1.4.1 数学模型的合理性研究  18-19
    1.4.2 数值解法的优化和模拟软件的二次开发  19
    1.4.3 对模拟结果分析方法的新探讨  19
    1.4.4 实验与模拟相互验证  19-20
  1.5 当前商业化模拟软件介绍  20-21
  1.6 课题提出的依据  21-23
第二章 MIM充模流动过程的数学模型  23-34
  2.1 引言  23
  2.2 MIM充模流动机理和工艺参数对其影响  23-25
    2.2.1 MIM充模流动机理  23-24
    2.2.2 工艺参数对MIM充模流动过程的影响  24-25
  2.3 MIM充模流动过程数学模型的前提条件  25-27
    2.3.1 基本假设条件  26
    2.3.2 分布函数与Boltzmann方程  26-27
  2.4 两相流模型中喂料的碰撞项分析  27-30
    2.4.1 喂料两相流系统中的碰撞类型  27-28
    2.4.2 MIM喂料两相流中的碰撞情况分析  28
    2.4.3 粉末颗粒—粘结剂分予碰撞项  28-29
    2.4.4 粉末颗粒—粉末颗粒碰撞项  29-30
  2.5 两相流模型的动力学基本方程  30-33
    2.5.1 质量守恒方程  30-31
    2.5.2 动量守恒方程  31
    2.5.3 能量守恒方程  31-33
  2.6 小结  33-34
第三章金属粉末注射成形流变本构方程及边界条件  34-45
  3.1 引言  34
  3.2 MIM喂料的流变学特性分析  34-35
  3.3 MIM喂料的物性参数计算  35-37
    3.3.1 密度的计算  35-36
    3.3.2 粉末装载量的计算  36
    3.3.3 粘度的计算  36
    3.3.4 比热的计算  36-37
    3.3.5 导热系数的计算  37
  3.4 MIM喂料的本构方程分析  37-39
    3.4.1 综合粘度模型  37-38
    3.4.2 Cross—Arrhenius五参数粘度模型  38-39
  3.5 粘度的测定及对本构方程的修正  39-41
  3.6 MIM充模流动的边界条件分析  41-42
    3.6.1 模具边界条件  42
    3.6.2 传热边界条件  42
  3.7 喂料熔体流动前沿自由界面的VOF法  42-44
  3.8 小结  44-45
第四章充模过程的计算机数值模拟  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 充模过程数学模型的有限元分析  45-49
    4.2.1 有限元方法的基本思想  45-46
    4.2.2 有限元方法的解题步骤  46-47
    4.2.3 MIM充模过程的数学模型的算法和流程图  47-49
  4.3 ANSYS CFX介绍及求解模块分析  49-52
    4.3.1 ANSYS CFX产品特点分析  49-51
    4.3.2 ANSYS CFX求解模块分析  51-52
  4.4 对ANSYS中模型的二次开发  52-55
    4.4.1 ANSYS集成环境开发  52-53
    4.4.2 ANSYS CFX集成环境开发  53-55
  4.5 小结  55-56
第五章 MIM注射成形计算机模拟分析应用  56-73
  5.1 引言  56
  5.2 模拟实验结果及指导分析  56-58
    5.2.1 熔体流动前沿动态显示  56-57
    5.2.2 压力场和温度场  57
    5.2.3 剪切速率  57
    5.2.4 剪切应力  57-58
  5.3 MIM边界层效应  58-61
    5.3.1 模型建立和网格划分  58
    5.3.2 模拟实验条件  58-59
    5.3.3 MIM边界层效应分析  59-60
    5.3.4 边界层效应的实验验证  60-61
  5.4 浇口位置对充模的影响  61-64
    5.4.1 模拟实验条件  62
    5.4.2 模拟结果与分析  62-64
  5.5 模温对充模流动影响的模拟分析  64-65
  5.6 注射速度对充模流动影响的模拟分析  65-68
    5.6.1 "欠注"和"喷射"  65-66
    5.6.2 注射速度与温度场的分析  66-67
    5.6.3 注射速度与压力场的分析  67-68
  5.7 注射温度对充模流动影响的模拟分析  68-70
  5.8 注射压力对充模流动影响的模拟分析  70-71
  5.9 小结  71-73
第六章结论  73-75
参考文献  75-81
致谢  81-82
攻读学位期间主要的研究成果  82

金属粉末注射成形计算机模拟

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