泵体铸件凝固过程模拟.doc

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1、第一章绪论1．1选题的背景及意义铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸

2、件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发

3、展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。1．2用计算机技术改造传统铸造行业1．2．1铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出

4、的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何模数、凝固参数、合金性能及微观组织参数等有机地联系起来，并提出了铸造工艺CAD的概念。我国从1978年开始开展铸件凝固数值模拟研究，三十四年来的研究已形成了我国凝固模拟技术研究的特色。铸件凝固数值模拟技术发

5、展至今可分为3个阶段：a)基础研究阶段，着重于计算模拟；b)预测研究阶段，对拟定好的工艺方案进行检查，以预测质量，并通过模拟浇注系统修改方案；c)优化工艺设计，包括计算模拟、几何模拟及数据库，并使之有机结合起来。有时把这3个阶段综合称为铸造工艺CAD，有时又特指为第三阶段。目前就国外而言，铸造工艺CAD正处在第三阶段。因此，在实际研究中铸造工艺CAD应包括4个部分，即：凝固过程数值模拟(热场模拟)、充型过程数值模拟(流场模拟)、热应力及残余热应力数值模拟(力场模拟)和微观模拟(组织模拟)。1．2．2铸件冲型过程数值模拟铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和

6、冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。因此对充型过程进行数值模拟非常必要。目前研究多数以SOLA-VOF法为基础，引入体积函数(VolumeofFunction)处理自由表面。并在传热计算和流量修正等方断进行研究改进。研究在对层流模型进行大量的实验验证之后，用K-e双方程模型模拟铸件充型过程的紊流现象。目前，虽然已研究了许多算法，如并行算法、三维有限单元法、三维有限差分法、数值算法与解析方法混合的算法等，但是到现在仍然没有找到最好的算法，各种算法各有优劣，应用的侧重点各不相同

7、。在提高计算速度方面，祝昭德等人曾提出了一种基于DFDM的算法，对于规模为一百万单元(铸件单元)的系统可减少存储量80MB。常用的网格是矩形单元(2D)或正交的平行六面体单元(3D)。不过日本的本娜卡等人提出了一种新的网格划分方法，即无结构非正交网格。这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。目前砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主要地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作也已经开始。当前关于充型的一个发展趋势是辅助设计浇注系统，因为模拟的最终目的就是为了辅助设计。麦克大卫和丹特兹格在这