铸件和铸型间界面传热系数的试验研究

在铸造凝固过程的数值模拟中,铸件/铸型间的界面传热系数是非常关键的一个参数.为提高数值模拟精度,文中采用铝合金铸件设计了金属型铸造试验,考虑了铸型厚度对结果的影响,使用特制的热电偶采集了铸件内部不同位置的温度值.以此实测的温度场数据为基础,结合数值模拟技术和界面传热系数“反问题”的求法,得到界面传热系数与时间的函数关系.结果表明:铸型厚度不同会影响铸件铸型间的热流和界面传热系数的变化规律,且界面传热系数在铸件冷却中并非常数,随着凝固过程的继续而减小.最后将所得界面传热系数用于凝固过程的温度场模拟,与试验结果进行了对比分析,得到了合理的分布,说明此界面传热系数测定方法可行.     

铸铁件铸造缺陷的有限元分析

采用有限元法建立了铸件凝固过程的数学模型，考虑材料随温度变化的非线性因素和相变中结晶潜热问题，对铸造凝固过程进行了数值模拟，得到了铸件在凝固过程的瞬态温度场、温度梯度场的分布和变化规律。预测出了铸件可能出现缩孔、缩松等铸造缺陷的位置，结果表明模拟预测与生产验证结果基本一致。     

金属型铸造凝固过程温度场数学模型及定解条件的确定

一、概述 金属型铸造时生产量一般都很大，对铸件的质量要求很高，而且要求铸件是稳定的，也就是说同一副金属型中铸造出来的铸件质量应该是一样的。金属液的凝固过程对铸件质量影响很大，因此模拟凝固过程温度场的分布，对优化铸造工艺、预测与控制铸件质量和各种铸造缺陷，以及提高生产效率都非常重要。具体讲，凝固过程温度场模拟可实现如下目的。     

金属型铸造温度场的有限元数值模拟及确定热物理参数的"逆方法"

采用虚拟仿真技术,利用ANSYS软件,对铸造系统凝固过程的温度场进行研究。考虑了相变潜热、对流边界条件和界面传热系数等各种因素,并将ANSYS计算结果与实验数据进行对比,得到了合理的温度分布,为进一步研究消除铸造缺陷等工程实际问题打下了基础。同时提供一种确定热物理参数的“逆方法”。     

高压铸造过程铸造压力传递及界面热交换行为的研究

项目批准号:506751141项目负责人及所在单位:熊守美,清华大学2起止年限:2007年1月～2009年12月3项目简介压铸过程中铸件—铸型界面传热行为以及凝固过程中铸件内部压力的传递行为对铸件凝固组织的形成     

硼钢B1500HS界面传热系数与压力关系的研究

界面传热系数是关键的边界参数之一,其准确程度直接影响温度场、应力应变场、组织场等的求解精度。界面压力是影响界面传热系数的主要因素之一,为了研究热冲压过程中界面压力对界面传热系数的影响,根据热冲压过程中模具与硼钢板之间热交换的特点,设计试验工装,利用CMT5000型微机控制智能电子拉伸试验机对试样和试验工装施加压力,利用通用串行总线接口的温度高速采集系统采集0 MPa、1 MPa、10 MPa、20 MPa及40 MPa压力时的试样冷却曲线,利用自主开发的逆向传热软件对测试得到温度数据进行计算分析,获得测试工装与硼钢板之间单位面积接触压力对测试工装与硼钢板之间界面传热系数的影响规律。研究结果表明,硼钢和测试工装表面温度对于界面传热系数没有明显影响;硼钢表面的氧化情况对于界面传热系数有显著影响;界面传热系数与界面压力近似呈线性关系,界面传热系数随着界面压力的增大而变大。     

基于ProCAST的汽车缸套离心铸造数值模拟研究

建立了汽车缸套离心铸造凝固过程数值分析的数学及物理模型,阐述了离心铸造凝固的数值模拟方法,求解得到了汽车缸套离心铸造过程中的温度场、液固相分布及缩孔缩松状况。总结了汽车缸套的一般凝固规律,为汽车缸套的铸造工艺优化设计提供了数值依据。     

大型铝合金综合传动箱铸造工艺模拟

利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft对大型铝合金综合传动箱铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进，最后设计出合理的铸造工艺。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。     

铝铁复合铸造界面金相研究

为用铸造方法得到铝铁复合线材,降低铝包钢芯铝绞线的生产成本而设计试验。自行设计复合铸造模具,在洁净的铁丝表面预先进行渗铝处理300 s,用出炉温度在800℃的铝液浇注试样,通过金相显微镜和扫描电子显微镜观察发现:铝和铁的界面处形成宽度为10～30μm的结合区域,能谱分析结果表明其中铝的质量分数为50.37%,原子分数为67.75%。由元素质量分数和相关热力学数据判定结合区主要由Fe2Al5和FeAl构成,其显微硬度值在250 HV以上。相同浇注温度下未经渗铝处理得到的试样,通过金相观察、能谱分析和显微硬度测试,证实铝和铁间形成宽度为10μm的缝隙。试验结果说明,采用预先浸镀后浇注的工艺可以实现铝和铁的冶金结合,为实现铸造工艺得到铝铁复合线材的构想提供初步的支持。     

汽车缸套离心铸造凝固数值模拟研究

建立汽车缸套离心铸造凝固过程的数学及物理模型,对汽车缸套离心铸造的凝固过程进行数值模拟,得到汽车缸套离心铸造过程中的温度场、液固相分布及缩孔缩松状况。结果表明:采用数值模拟分析能够使汽车缸套的高速、高温、复杂的卧式离心铸造过程可视化,并可方便地通过改变铸造参数来分析对铸造效果的影响;合适的铸型转速会对充型产生较大的影响,过小则会产生雨淋现象,过大则会使充型不连续;为减少铸件外表面及端面与内表面中心部分凝固速度的差距,可以适当提高铸型的预热温度。     

基于蜂群算法的机床主轴对流换热系数优化

机床主轴温度场分析是一种减少主轴热误差、提高主轴精度及其稳定性的重要方法。作为热分析边界条件中关键参数的对流换热系数,其值大小反映了主轴零部件表面与空气对流换热的强度,对主轴有限元温度场分析结果的影响最为明显。以170CP06-DM机械主轴为研究对象,深入研究主轴对流换热系数的影响因素,提出一种基于人工蜂群优化算法的机床主轴换热系数优化算法。实验表明,提出的蜂群算法能够根据环境温度和转速而自动寻找优化的主轴换热系数。与传统的经验确定对流换热系数方法相比,主轴前轴承处的计算最大误差、平均误差、均方差分别提高了大约4.54℃、2.87℃、1.65℃,主轴后轴承处的计算最大误差、平均误差、均方差分别提高了大约7.12℃、3.49℃、2.41℃。     

基于传热正反模型的动态测温方法研究

为减少热惯性温度传感器的动态测温误差,提出了基于传热模型和反演算法的动态测温方法,其实质是将求解被测对象的真实温度转化为一个优化问题.该方法首先建立温度传感器非线性非定常瞬态传热正模型和有限元求解方程,并进行实验验证.在此基础上,推导了瞬态传热一阶敏度计算公式,建立了温度传感器的非稳态反演传热模型,结合快速反演算法,反求作为边界条件的被测对象真实温度.将所提出的动态测温方法应用于具有内外两层套管、传热过程复杂的复合温度传感器.实验和仿真结果均表明,正向模型的仿真值与测量值相比最大误差小于5℃,反演求解的被测对象真实温度误差不超过1％,热响应时间由548 s缩短到106s.应用实例分析结果表明,所提出的动态测温方法具有较高的准确性和快速性.     

Experimental measurement and numerical computation of the air side convective heat transfer coefficients in a plate fin-tube heat exchanger

The air-side forced convective heat transfer of a plate fin-tube heat exchanger is investigated by experimental measurement and numerical computation. The heat exchanger consists of a staggered arrangement of refrigerant pipes with a diameter of 10.2 mm and a fin pitch of 3.5 mm. In the experimental study, the forced convective heat transfer was measured at Reynolds numbers of 1082, 1397, 1486, 1591 and 1649 based on the diameter of the refrigerant piping and on the maximum velocity. The average Nusselt number for the convective heat transfer coefficient was also computed for the same Reynolds number by using the commercial software STAR-CD with the standard k - ɛ turbulent model. It was found that the relative errors of the average Nusselt numbers between the experimental and numerical data were less than 6 percent in a Reynolds number range of 1082∼1649. The errors between the experiment and other correlations from literature ranged from 7% to 32.4%. However, the literature correlation of Kim et al. is closest to the experimental data within a relative error of 7%. This paper was recommended for publication in revised form by Associate Editor Man-Yeong Ha Jin-Gi Paeng recieved a bachelor’s degree in Aero Mechanical Engineering from Gyeong-sang National University in 2000. He then went on to recieve his M.S. degrees from Changwon National University in 2004. Currently, he completed the doc-tor’s course and a doctoral dissertation in 2007 and 2008, respectively. He will take a doctorate in 2008.     

镁合金熔炉坩埚瞬态传热与热应力分析

针对镁合金熔炉坩埚使用寿命较短,坩埚各接合处易变形开裂而失效,采用有限元分析方法,对镁合金熔炉坩埚升温过程进行了瞬态传热模拟分析,得到了其升温过程曲线和温度场分布云图,并与实验采集的数据进行对比;在此基础上进行热—结构耦合分析,计算得出了升温结束时坩埚各接合处的热应力分布情况。分析结果显示:坩埚瞬态传热分析结果与实验数据吻合良好,说明瞬态传热分析真实可靠;坩埚各接合处热应力波动较大且局部有应力集中现象。     

肋片焊接方式对其传热的影响

通过改变肋片的焊接尺寸以及焊接形状建立肋片传热模型,采用CFD(Computational Fluid Dynamic)模拟的方法,将模拟结果与传统铸造肋片的传热情况进行对比,研究不同焊接方式以及焊接尺寸对整个肋片的换热量以及换热系数的影响.结果显示,肋片焊接后,对整个肋片的换热量和换热系数有一定的影响,但影响较小.其中换热量根据焊接尺寸的增加先减小后增大;而换热系数呈波浪形变化,但有减小的趋势.     

R134a冷水机组用高效换热管的试验研究及应用

通过换热管测试台对A、B2种双侧强化蒸发管的换热性能进行了测试研究。研究结果显示：对于同一管型而言,在工况不变的情况下,管内流速在1．0-2．0m／s时,换热管的综合换热系数会随着管内水流速的增加而呈上升趋势：两者的综合换热系数与其外齿周向齿数和轴向齿数有很大关系,外内齿数多综合换热系数高：新开发的高效换热蒸发管-B比原仃的蒸发管-A换热性能高6．6％。通过采用新开发的高效蒸发管-B每年可为公司节省成本约256．6余万元。     

组合涡发生器在螺旋板式换热器上的强化传热研究

在螺旋板式换热器螺旋通道内设置三角翼和椭圆柱组合涡发生器,利用流体计算软件Fluent进行三维数值模拟。研究了Re为4000～7000内组合涡发生器对通道平均Nu和平均阻力系数f的影响,并应用场协同原理进行了分析。与只加装椭圆柱涡发生器的螺旋板式换热器进行对比,结果表明,纵向涡发生器产生的二次流能改善螺旋通道内的速度场与温度场的协同性,起到强化换热作用。在正三角形排列方式下,组合涡发生器通道的平均Nu比椭圆柱涡发生器的平均Nu增大8.7%,阻力因子f减小23.7%,强化换热的效果较好。     

Interfacial heat transfer coefficient between metal and die during high pressure die casting process of aluminum alloy

The present work focused on the determination of the interfacial heat transfer coefficient (IHTC) between metal and die during the high pressure die casting (HPDC) process. Experiments were carried out on an aluminum alloy, ADC12Z, using “step shape” casting—so-called because of its shape. The IHTC was successfully determined by solving one of the inverse heat problems using the nonlinear estimation method first used by Beck. The calculation results indicated that the IHTC immediately increased after liquid metal was brought into the cavity by the plunger and decreased as the solidification process of the liquid metal proceeded. The liquid metal eventually solidified completely, a condition when the IHTC tended to be stable. Casting thickness played an important role in affecting the IHTC between the metal and die not only in terms of its value but also in terms of its change tendency. Also, under the test conditions, different change tendencies of the metal solid fraction were found between castings with different thicknesses and the die. __________ Translated from Acta Metallurgica Sinica, 2007, 43(1): 103–106 [ 译自: 金属学报]