影响铸件凝固过程诸因素行为的研究

一、引言铸件凝固过程中,铸造合金和铸型都要发生一系列复杂的物理化学变化,因此影响凝固过程的因素很多。其中主要有:铸件的大小和形状;铸造合金成分及其热物性参数;铸型热物性参数;铸造合金与铸型间的边界条件和界面作用;铸型与环境间的边界条件;熔炼、浇注和铸型工艺等。为了使用计算机数值模拟法正确模拟,研究铸件的凝固过程,必须确切把握凝固过程的各个影响因素。其中不少因素,如热物性参数和界面换热系数,在凝固过程中还随时间而变,而实测这些参数又常很困难。为简化数值模拟的计算,有人常把这些参数作为常数处理,而不同文献所录用的数值往往还差别较大。实践证明,如果这些影响因素处理不当,     

THERMOMECHANICAL MODELING OF SOLIDIFICATION PROCESS OF SQUEEZE CASTING I. Mathematic Model and Solution Methodology

开发了模拟挤压铸造凝固过程中铸件温度、应力及形状变化的有限元模型. 该模型包括了凝固过程中潜热的释放和体积收缩效应、界面传热和变形的相互作用以及凝固壳在冲头压力下的变形等. 应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型描述凝固壳的变形, 并对液相和糊状区进行了特殊处理. 利用接触算法处理铸件与模具界面, 并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动. 该模型可以用来研究模具设计和工艺参数(如模具温度及冲头压力等)对铸件质量的影响.     

挤压铸造凝固过程热-力耦合模拟 Ⅰ.数学模型及求解方法

开发了模拟挤压铸造凝固过程中铸件温度、应力及形状变化的有限元模型.该模型包括了凝固过程中潜热的释放和体积收缩效应、界面传热和变形的相互作用以及凝固壳在冲头压力下的变形等.应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型描述凝固壳的变形,并对液相和糊状区进行了特殊处理.利用接触算法处理铸件与模具界面,并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动.该模型可以用来研究模具设计和工艺参数(如模具温度及冲头压力等)对铸件质量的影响.     

挤压铸造过程热-力耦合分析的有限元模型

开发了模拟铝合金挤压铸造凝固过程铸件温度、应力及形状变化过程的有限元模型。该模型包括了凝固过程的潜热释放和体积收缩效应、传热和变形通过界面气隙的相互作用、以及凝固壳在冲头压力作用下的变形过程等。应力场模拟中采用热弹粘塑性本构模型来描述凝固壳的变形,并对液相/糊状区进行了特殊处理。利用接触算法处理铸件与模具界面,并且采用一种特殊的迭代法来模拟冲头的运动。该模型可以用来研究模具设计、工艺参数(如浇注温度、冲头压力、加压时间等)对铸件质量的影响。     

POEM法制备微米级Cu球形粒子的传热与凝固行为研究

脉冲微孔喷射法（POEM）制备微米级球形粒子是典型的无容器传热和凝固过程,制备出的球形粒子具有粒径均一、圆整度高、热履历一致等特点,对流和辐射主导的传热机制对其制备工艺、凝固过程和组织控制至关重要。针对脉冲微孔喷射法微米级球形金属粒子的制备过程、冷却传热与凝固特征,本文建立了三维球坐标系下的粒子传热与凝固数值计算模型,考虑纯Cu粒子在无约束凝固过程中的对流和辐射换热特点,采用温度回升法处理纯金属的凝固潜热,计算了金属粒子在凝固过程不同阶段的温度变化与分布特点,考察了粒子凝固进程中的温度梯度、冷却速率、液固界面推进与凝固速度;模拟分析粒子的对流、辐射换热特征及贡献强度,探讨了不同制备工艺对粒子对流换热的影响,为POEM法微米级球形粒子制备工艺的优化和凝固过程调控提供参考。     

高γ′含量高温合金整体细晶叶盘铸造凝固行为和组织特征模拟研究

使用ProCAST软件模拟热控法细晶整体叶盘的铸造,将传统的Udimet720Li变形高温合金作为整体叶盘铸造材料,模拟整体叶盘的凝固过程、孔隙率分布、应力分布和晶粒生长情况,研究该高γ′含量高温合金用于细晶整体叶盘铸造的凝固行为和组织特征。整体叶盘的凝固始于叶片尖端,结束于冒口中心位置。整体叶盘的主体区域孔隙率为1.5%~3%,凝固过程中由于缩松偏聚,部分区域会形成孔隙率相对较大的区域。确立评估该材料整体叶盘铸件孔隙缺陷的安全阈值为13 (K·Sec)0.5/cm,用于评估铸造工艺参数的可行性。整体叶盘各位置的最大切应力、有效塑性应变和热裂指数均为0,但在叶片尖端和边缘棱角区域存在有效应力大于1200 MPa的应力集中现象。整体叶盘平均晶粒直径为0.88 mm,满足热控法应达到的水平,但热控法不易控制晶粒度的均匀性,更应该结合动力学方法,提高晶粒度的均匀性。     

基于sobol法的热成形工艺参数全局灵敏度分析及优化设计

基于Archard理论,运用有限元软件对热冲压过程进行数值模拟分析,计算冲压过程中模具表面磨损。提出一种计算热成形工艺参数灵敏度的方法,该方法基于蒙特卡洛法和响应面法,建立主要工艺参数的磨损量响应面近似模型,进而采用sobol全局灵敏度分析法和蒙特卡洛法对工艺参数的全局灵敏度进行分析。结果表明,冲压速度、板料温度和模具温度对磨损的影响最大。在此基础上对冲压速度及板料温度进行优化设计,以使磨损量达到最小。     

工艺参数对藕状多孔Mg合金结构影响的模拟仿真

在金属/气体共晶定向凝固工艺(Gasar)中,气体压力、过热度以及凝固速率是影响藕状多孔金属结构的最重要参数。建立了一个描述Gasar工艺过程的传热、传质、气孔形核、生长、合并及气孔与固相的协同生长的三维非稳态理论模型。并且采用有限差分的方式,实现了定向凝固铸造法Gasar工艺过程中藕状多孔结构形成及演变的计算机仿真,揭示了气体压力和凝固速率对藕状多孔金属最终结构参数的影响。基于Mg-H系的模拟与相应试验结果吻合较好,验证了所建仿真模型的合理性。     

双带式金属带材快速成形过程的流动场与温度场三维耦合模拟

文章采用有限差分方法计算双带式金属带材快速凝固成形过程的流热偶合问题,模拟了单孔喷嘴浇注时铝液的流动场及其温度分布,计算结果得出了不同喷嘴尺寸、冷却带速度和浇注速度下铝液的流动情况、凝固前沿形状和液相区长度,找出了工艺参数之间的合理关系,为进一步实验研究提供了理论依据。     

组合机床Y向滑台体交错筋部位铸造工艺探究

组合机床Y向滑台体（以下简称滑台体）的交错筋部位在铸造过程中易形成局部热节，不利于铸件顺序凝固。对比了交错筋部位放置冒口和放置冷铁两种工艺方案后发现，采用后者不仅简化了工序，而且提高了工艺出品率约3%。通过铸件凝固过程数值模拟与超声波探伤验证了冷铁工艺方案的合理性。     

APDL参数化分析在双丝焊接仿真中的应用

基于APDL参数化分析．设计了25号钢双丝焊接仿真的方法,包括有限元模型的参数化建立、焊接热源模型的参数化表示、热源移动的参数化实现、后处理模式的参数化方法：用该方法建立的APDL程序,只需输入材料及焊接参数,即可通过ANSYS分析获得与实际焊接相吻合的仿真结果。     

激光焊接热循环的试验分析

在标定测试的基础上,利用最小二乘法拟合得到了热电偶的热电特性方程.通过设计焊接绝缘夹具及补偿温度测量值的动态误差,试验得到焊缝热影响区的实际热循环曲线.将高温等离子体简化为点热源,薄板焊接时的热源简化为线热源,采用叠加原理建立激光焊接高强度钢板的热循环数学模型后,对模型进行解析计算,获得了热影响区的理论热循环曲线.通过实测热循环曲线与理论曲线的对比、实际焊缝宽度与理论焊缝宽度的验证后认为,点线热源模型能反映激光焊接高强度钢板的热循环过程,为激光焊接的深入研究奠定了基础.     

构架环形多道焊变形仿真与焊序选优

基于对焊接变形的产生机理分析,利用实体-壳单元混合模型,建立了转向架构架横梁组对环形多道焊变形仿真的有限元模型,以有效降低计算规模,并利用壳单元实现模型中实体与壳单元的连接.结合试验研究,利用3D双椭球模型,实现了焊接热源的校核,并通过提取和简化各层的平均热循环曲线,实现热源加载,以提高计算效率.在此基础上,对横梁组对环形多道焊不同焊接顺序下的变形进行计算,实现了面向变形控制的焊接顺序的选优.结果表明,采用的多道焊变形仿真建模与计算方法是可行的,能够满足工程仿真需求.     

中间包传热边界对钢液流动及传热计算的影响

以某厂T型中间包为例,建立了中间包内钢液流动、传热数学模型。针对数值模拟中存在的传热边界条件的准确性问题进行探讨,引入了中间包包衬散热计算模型,得出关于中间包包衬结构的热流散失与内壁温度的关系,作为中间包内钢液流动、传热计算的边界条件。利用商用Fluent软件模拟计算,并比较分析了不同边界条件对中间包内钢液流动、传热的影响,结果表明提出的边界条件模型法使计算模拟结果更符合实际。     

连铸结晶器内热-力耦合状态有限元模拟

针对碳钢在连铸结晶器内的凝固过程,考虑铸坯和钢板间接触状态,建立了完全热力耦合的二维非稳态有限元模型,利用ＭＡＲＣ软件在微机上求解。模拟出了结晶器区域热和力学状态,包括铸坯温度场,包括铸坯温度场,应力场,铸坯－钢板界面热流和气隙分布规律等,本模拟工作可为优化结晶器锥度、开发高拉速曲面结晶器提供理论依据和技术基础。     

采用热弹塑性有限元方法预测低碳钢钢管焊接变形

用有限元分析软件ABAQUS Code开发了用于模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接变形的热弹塑性有限元计算方法.通过建立三维有限元模型,预测了低碳钢钢管多层焊接时的温度场和焊接变形,并通过试验验证了所提出计算方法的精度和有效性.结果表明,在多层焊接条件下,采用有限元方法计算得到的焊接变形与试验结果十分吻合.     

基于串热源及CCT图的GMAW焊接热影响区组织及硬度预测

将熔化极气体保护焊（GMAW）的热输入处理为三维移动串热源,建立了串热源模型,模拟了JG590低合金钢的GMAW焊接热过程,进行了JG590钢的GMAW焊接工艺实验,通过焊缝横截面熔合线的几何形状以及焊接接头的几何尺寸对所建模型进行了实验验证,分析评价了目前常用的ts／5计算公式,利用JG590钢GMAW焊接热过程的模拟结果,结合其连续冷却组织转变图（CCT图）,成功预测了焊接热影响区（HAZ）的组织及硬度．     

铸铁水平连铸中圆坯凝固过程的数值模拟

将铸铁水平连铸中圆坯凝固过程的整个传热系统作为模拟对象,采用自由热收缩模型计算铸坯与结晶器的界面传热系数,从非稳态传热的角度并按照柱坐标系中二维传热的方式进行铸坯凝固过程的数值模拟,在数值计算中,采用静、动坐标系相结合的方法,使铸坯传热的控制方程得以简化且便于耦合处理结晶器与铸坯的温度场计算,由此确立的模拟方法可用于模拟不同尺寸的圆坯在各种工艺条件下的凝固过程。     

大型钢锭表面夹杂物分布模拟研究

采用基于热焓-多孔介质法、湍流模型、动量和质量守恒方程建立了36 t大型钢锭锭模内钢液流动、传热和凝固的数学模型。采用Lagrange方法通过跟踪单个夹杂物在钢液中的运动,探明表面夹杂物在大型钢锭中的规律性分布,讨论了不同冒口保温条件对夹杂物的去除效果。结果表明,凝固早期,钢液流动强烈,夹杂物容易被先凝固的固相区域捕捉。随着凝固过程的进行,钢液流动减弱,夹杂物以上浮运动为主。加强冒口处保温可大大提高夹杂物的去除率。     

异种金属摩擦焊工艺温度场数值模拟研究

基于摩擦焊接过程中热-力学现象,建立摩擦焊接过程中热力耦合模型,对陶瓷/金属焊接过程中温度分布进行数值模拟。所提出的模型能够预测金属陶瓷摩擦焊接过程中随时间增量的温度分布情况;焊接界面区域产生的摩擦热消耗中间层铝,并在氧化铝和低碳钢之间建立焊接层。由于氧化铝和低碳钢具有不同的温度属性,在界面处会产生更多的热应力。数值模拟用来预测氧化铝/低碳钢接口处残余应力的变化情况,进而避免异种金属摩擦焊接过程中不完全联锁、接头强度差的现象。