铸件热应力及热裂的数值模拟研究

铸件在铸造凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟在实际的生产实践中起着十分重要的作用。本文综合国内外对铸造凝固过程中热应力及热裂数值模拟研究的现状，结合中北大学铸造工程研究中心的实际情况，指出了今后的研究方向和重点：建立适合铸造过程应力场数值模拟的模型，采用有限元软件ANSYS实现铸件热应力场的模拟分析，并计算残余应力。     

高硅铝合金Al-20Si-xCu热裂行为及其机理

本文研究了Al-20Si-xCu系列合金的凝固过程和热裂行为。采用差热分析法(DTA)对凝固过程进行了分析,用自制的T形模具对其热裂行为进行了研究,并用Clyne和Davis模型对三元合金热裂敏感性进行了预测。结果表明：用裂纹敏感性系数(CSC)预测的合金热裂敏感性趋势与Al-20Si-xCu系列合金的实验结果一致,合金的热裂敏感性(Hot tearing sensitivity,HTS)大小顺序为Al-20Si-3Cu>Al-20Si-4Cu>Al-20Si-2Cu>Al-20Si-1Cu。同时,运用ProCAST模拟软件采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法,对合金铸件充型、凝固和冷却过程进行模拟,预测合金浇注过程产生的热裂应力以及热裂指标(HTI)等参数,其数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

铸件凝固过程的温度场模拟及缩孔、变形和热裂缺陷的预测

本文以板锤铸件凝固过程温度场变化为研究对象，通过有限单元法，对铸件温度场进行模拟。基于模拟结果，采用温度曲线法和温度梯度法对铸件的缩孔进行预测，并结合温度—应力偶合对铸件的热变形和热裂缺陷进行预测。研究结果表明：对缺陷的预测情况与该产品实际生产结果完全相符，所以该数值模拟CAX技术在实际生产中完全可行。     

基于FDM/FEM联合的铸件凝固过程热应力数值模拟的研究

为了模拟铸件凝固过程的热应力场，开发了基于华铸CAE（FDM）和ANSYS（FEM）联合的铸件凝固过程热应力场数值模拟集成系统，并计算了应力框试件的应力和位移。应力框的变形模拟与公认结果符合较好，实现了FDM／FEM联合进行铸件凝固过程的热应力数值模拟，为进一步模拟分析热应力和进行热裂预测奠定了一定的基础。     

铸件热裂预测研究进展

简述了铸件热裂的形成机理,重点介绍了铸件热裂预测的研究方法和发展趋势,基于流变学模型的热裂数值模拟是一个很有意义的研究方向之一。     

铸件热节系统性与动态性的研究

采用计算机凝固数值模拟技术,研究铸件热节的位置、大小、形状和数量,在凝固过程中随凝固时间及铸件辅壁厚度的变化关系,揭示热节的系统性与动态性。     

铸件热节系统性的研究

采用计算机凝固数值模拟研究铸件热节的位置、大小、形状和数量,在凝固过程中根据铸件－铸型系统内几何因素、物理因素、工艺因素等各因素的变化关系,揭示热节的系统性;讨论了冒口与热节的位置关系。     

铸件热节动态性的研究

采用计算机凝固数值模拟技术,研究铸件热节的位置、大小、形状和数量在凝固过程中随凝固２时间的变化规律,揭示了热节的动态性以及传热 并讨论了冒口号热节位置的关系。     

水轮机下环铸件凝固过程热应力模拟分析

采用数值模拟方法对水轮机下环铸件凝固过程中的应力场进行了模拟和分析。模拟中采用接触单元法处理铸件与砂芯之间力的作用,改进了传统的铸件/铸型边界条件处理方法。文中重点分析了下环凝固过程中准固相区的受力情况,根据准固相区受力特点建立了适当的热裂判据,对下环凝固过程热裂倾向性进行预测。实际生产结果与预测结果相符合。     

镶铸件数值模拟及其热裂倾向性的判定

应用数值模拟技术对钢／高铬铸铁镶铸件的热裂问题进行了研究。以镶块和本体铸件间相对收缩速率的大小作为镶铸件热裂倾向性大小的依据,并给出了基于温度场数值模拟的相对收缩速率的表达式和临界热裂判据式。数值模拟结果表明：提高浇注温度和减小镶块镶入部分宽度均可减小相对收缩速率的大小。     

基于有限单元法的铸件热应力场数值模拟

重点论述了基于有限单元法(FEM)对铸件热应力场进行数值模拟的理论基础和实际方法,开发了基于有限单元法的铸造热应力场模拟程序.采用典型试件进行了算例验证,并与ANSYS的模拟结果及实际铸件浇注结果进行了对比,结果吻合.研究表明,开发的基于有限单元法的铸件热应力场数值模拟程序,模拟结果精确,运行可靠.     

铸件热应力场数值模拟

基于有限差分法(FDM)对铸造过程热应力场进行了三维数值模拟研究，并对标准应力框试件和箱体铸件进行了热应力场模拟，得到比较满意的结果。此方法使得铸件应力应变分析与传热分析使用同一离散模型，避免了FDM／FEM不同模型之间的节点匹配及单元温度载荷传递，能使流动场、温度场、应力场数值模拟统一采用差分格式。     

Finite element simulation of thermal barrier coating performance under thermal cycling

In this paper, a numerical simulation of stress development within the air plasma-sprayed thermal barrier coating system incorporating nonlinear behavior under compression for the top coat ceramic layer is presented. The nonlinear behavior as well as its evolution with sintering at high temperature is simulated using a microstructure based model. The simulation results indicate that this nonlinearity has a significant role on distribution of the residual stresses in this layer resulting from the thermal cycling. A parametric study is carried out to investigate the effects of the microstructural features of the top coat ceramic layer on residual stress distribution. It is revealed from the simulation results that the variation of porosity has only a negligible effect on the residual stress distribution. In addition, the stresses accountable for the crack growth can be lowered by changing the microcrack densities of the top coat layer within a specified range.     

离心铸管管模温度场及热应力场数值模拟

在对管模生产条件下的热态工况进行分析的基础上,利用有限元数值方法首次建立了管模传热分析轴对称。在模型中对管模传热系统中的对流、辐射、接触边界条件和凝固潜热进行了处理,利用有限元分析软件ANSYS,分析了21CrMo10（德国牌号）材料管模的温度场、热应力场的变化。数值模拟结果与试验测量结果以及实际生产中管模的破坏状况相符合。     

La2Ce2O7/YSZ热障涂层抗热震性能的陶瓷层厚度影响研究

采用实验和数值方法研究了陶瓷层厚度比对La2Ce2O7/YSZ(LC/YSZ)热障涂层热震性能的影响。实验结果表明,随着LC与YSZ厚度比的降低,涂层热震寿命显著提高,涂层失效区域逐渐向试样中心转移,剥离位置逐渐从两陶瓷层界面附近转移到LC内靠近上表面处。数值结果表明,界面边缘处较大的轴向应力与剪切应力易导致较大厚度比涂层边缘处剥落;LC表面中心区域较大的径向拉应力会导致垂直裂纹萌生,并伴随界面偏折,这是较小厚度比涂层自LC内部剥离的原因。     

铝合金壳形件压铸模热应力场数值模拟及其疲劳分析

针对压铸模具寿命低,压铸工艺参数设定困难等因素,采用数值模拟软件对铝合金压铸模具的温度场和热应力场进行了数值模拟分析,得出压铸周期中模具表面的温度变化情况和压铸过程中热应力的变化情况;根据模拟结果预测了容易出现缺陷的位置,并和实际产品进行了对比.     

Simulation of cracking phenomena during laser brazing of ceramics and cemented carbide

To investigate the mechanism of the occurrence of the microcracks produced in laser brazing of silicon carbide and cemented carbide using a silver–copper–titanium alloy as the filler metal, a numerical simulation for thermal cycle and thermal stress was performed using the finite element method. The laser-irradiated area of the cemented carbide was heated selectively, and almost uniform temperature distribution in the filler metal was obtained. The tensile thermal stress in the silicon carbide appeared near the interface between the silicon carbide and the filler metal, and the maximum principle stress at about 400 K during the cooling process reached the fracture strength of the silicon carbide. This resulted in the formation of microcracks in the silicon carbide which was observed in the experiment.     

热物性值对铸钢件温度场数值模拟计算精度的影响

本文研究了铸件和铸型的热物性值对铸钢件凝固过程温度场数值模拟精度的影响,指出铸型的热物性值较铸件的热物性值对模拟计算精度的影响更大。计算时,必须正确掌握不同铸造工艺条件下确切的热物性值。     

A 3D dynamic analysis of thermal behavior during single-pass multi-layer weld-based rapid prototyping

Weld-based rapid prototyping enables the capacity of forming 3D complex parts. In rapid prototyping there exists the particular thermal cycling, being repeatedly heated at the same place, which is the basic cause of complex thermal stress. In this paper experiments are carried out to investigate the thermal characters of single-pass ten-layer deposition. Meanwhile a 3D transient heat transfer numerical simulation with temperature-dependent material properties is conducted to investigate temperature field evolution, thermal cycling character, temperature gradient and the effects of depositing directions on the thermal process of single-pass ten-layer rapid prototyping. The calculated results match the experimental measurements well. The research results show that the heat diffusion condition of molten pool becomes worse as the depositing height increases. With other parameters being constant, the heat diffusion condition can be significantly improved by optimizing the depositing directions. The heat diffusion condition of component with the same depositing directions is better than reverse directions.