凝固过程计算机数值模拟法的应用

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1、班级：材控一班姓名：梁永强学号：10050108指导老师：肖荣振凝固过程计算机数值模拟的发展及应用作者：梁永强专业班级：材控一班学号：10050108电话号码：13919816845摘要：介绍了铸件凝固过程温度场数值模拟、充型过程数值模拟、应力场数值模拟和组织形态数值模拟的发展及其应用。关键词：铸造；数值模拟；凝固过程；充型过程；应力分析；显微组织Abstract：Anintroductionwasmadetothedevelopmentoftemperature-sieldvaluessimulationofsolidificationprocesso

2、fcastings,mould-fillingprocessvaluessinmulation,slress-fieldvaluessimulation,strueture-morphologyvaluessimulationandtheirapplicationKeyword:foundry；valuessimulation；solidificationprocess；mould-fillingprocess；stressanalysis；microstructure前言铸件形成过程计算机数值模拟，如凝固过程温度场的数值模拟、充型过程流动场的数值模拟、

3、应力场数值模拟和组织形态的数值模拟，通过对这些单一和复合过程数值模拟的研究，可以对液固转变过程中产生的诸如缩孔、缩松、夹渣、气孔、裂纹等各种铸造质量问题进行分析，找出其产生的内在原因，达到提高产品质量，消除铸造缺陷的用；可以在生产之前对其过程质量进行预测，对不同的工艺方案进行质量对比，实施工艺优化；由于产品质量预测可以在计算机上进行，并没有经过试生产，因而可以节省大量的人力、物力、财力，尤其是新产品试制和大批量造型线生产的铸件，既方便快捷又有显著的经济益。采用计算机数值模拟还可以使一直建立在生产经验基础上的铸造工艺设计从经验走向科学。计算机数值模拟由前处

4、理、中间计算和后处理三个部分组成。其基本过程包括几何模型的建立、网络剖分、求解条件*即初始条件和边界条件+的确定、数值计算、计算结果的处理及图形显示等。1.凝固过程温度场数值模拟铸件形成过程按工艺顺序，是先充填而后凝固，可是由于人们对问题认识的先后，也由于凝固对铸件质量的影响更加直接和明显，所以凝固过程温度场的数值模拟先于充填而发展起来。温度场数值模拟的理论基础：（1）傅立叶定律：（2）牛顿定律：（3）斯蒂芬－玻尔兹曼定律：为了使铸件、铸型中的场量能被唯一确定下来，必须把影响铸件凝固过程的一些复杂因素+初始条件、边界条件、结晶潜热及热物性参数-考虑到数值

5、方程的求解条件中去。（1）初始条件：即t=0时刻所研究场量在铸件或铸型中的分布。（2）边界条件：铸件温度场模拟所涉及的边界条件有铸件—铸型边界，铸型—大气边界，铸件—绝热材料边界，甚至还有铸件—大气边界和绝热材料—大气边界。（3）结晶潜热：在铸件凝固冷却过程放出的总热量中，结晶潜热占相当大的比例。所以，潜热处理的好坏对铸件温度场数值模拟的计算精度起非常关键的作用。温度场数值模拟中，关心的是应以何种方法将结晶潜热的释放纳入传热过程模拟中，对结晶潜热是如何释放注意得比较少。（4）热物性参数的确定：研究者都承认，试图通过对数值计算方法的改进而得到有限提高的模拟

6、精度，往往被不十分精确的物性参数值所淹没；缺少铸型热物性和温度的关系是数值模拟精度不高，模拟技术难以推广的重要原因。凝固过程温度场数值模拟的目的之一是判断缩孔缩松的位置和大小。常用的缩孔缩松预测判据是;"<$"!。判据中，;是指系数离散化后的某一节点，当其温度达到固相线温度时，在该节点和其周围所有相邻节点间的温度梯度的最大值；<是指该节点达到固相线温度时的冷却速度。2.充型过程的数值模拟充型过程是指液体通过浇注系统进入型腔到型腔充满这一短暂的流动过程，它是铸件形成过程的重要环节。长期以来，铸件形成过程数值模拟主要集中在凝固过程的模拟上，这就使得数值模拟只

7、能对生产中的缩孔、缩松缺陷进行分析预测，而对产生于充型过程中的缺陷，例如，冷隔及浇不足、卷入性气孔、氧化现象和氧化夹杂物以及飞溅造成的所谓“铁豆”等依靠传统的尝试法来克服。因此，研究充填过程数值模拟对于控制充填过程以及预测解决充填不利引起的铸造缺陷具有深远的意义。此外，由于传统的温度模拟建立在“瞬时充型”的假设上，即假设充型过程瞬时进行完毕，因而凝固过程中铸件各部分的初始温度均为浇注温度，这无疑使凝固过程数值模拟的精度受到一定的限制。此外，研究充型过程数值模拟的目的还在于为凝固过程数值模拟提供初始温度分布，进一步提高温度场模拟精度。所以充型过程数值模拟是

8、铸件形成过程数值模拟的一个重要组成部分。充型过程的基本数学模型：液态金属的充填过