铸件充型过程流场和温度场数值模拟

本文采用ＳＩＭＰＬＥ算法，研究开发了铸件充型过程三维流动和传热数值模拟软件，计算结果表明，在该软件能准确地模拟浇注充型过程中液态金属的流动状态。自由液面的波动，以及温度场分布。     

工程湍流模式在铸件充型过程数值模拟中的应用

将流体湍流流动计算技术和自由表面处理技术应用于液态金属充型过程数值模拟计算,并与层流计算和标准重力浇注试验进行对比表明,湍流与层流计算在自由表面进展方面差别不大,但在计算域内速度矢量分布上存在明显差别。考虑湍流作用更接近实际铸造过程,有助于提高大中型重力铸件充型过程数值模拟计算精度。     

铸件充型过程算法研究

建立了铸件充型过程的数学模型，探讨了充型过程常用的计算方法SOLA-VOF方法。采用SO-LA方法求解速度场和压力场，并利用改进的VOF方法处理三维自由表面，包括自由表面的确定、自由表面的移动．进行了充填过程的模拟计算，验证了所采用的计算方法的可靠性。     

铸件充型过程数值模拟的发展

铸件充型过程对铸件的质量有着重要的影响.铸件充型过程的数值模拟可帮助人们更清楚地了解铸件充型过程中金属液的运动状态及温度场的分布.本文主要对充型过程数值模拟中的数值方法的发展过程、自由表面的处理方法的演变以及各种紊流模型的建立等问题进行了总结,并对充型过程的进一步研究发展进行了展望.     

铝合金铸件充型过程及氧化膜卷入的数值模拟

对于直接有限差分法，提出了单元表面无量纲距离、表面充填比率和体积充填比率，以描述铸件充型过程中自由表面的形状，建立了相应的充型过程数学模型，考虑了自由表面形状对动量、质量和能量传输的影响；提出了充型过程自由表面碰撞中表面氧化膜破碎，及其后破碎氧化膜流动的计算模型。对实验铝合金铸件进行了模拟应用，通过实际铸件充型过程的特殊X射线实时观察和记录。及实际铸件的气孔、收缩缺陷分布的检测，对模拟结果进行了验证分析。结果表明：充型过程模拟结果与X射线实时观察结果吻合较好，尤其是自由表面的变化；氧化膜卷入模拟结果与实际铸件气孔、收缩缺陷的分布存在一定的对应关系。     

铸件三维充型过程耦合数值模拟

采用改进后的ＳＯＬＡ－ＶＯＦ方法处理自由表面,有效地克服了传统的ＳＯＬＡ－ＶＯＦ法中的“施体－受体”法在处理三维自由表面时精度差和时间步和菠的缺点。在自由表面处理上采用了新的压力插值函数,使三维自由表面的处理变得简单明了。用有限差分法建立了铸件三维充型过程流动与传热的耦合计算数值模型,并对大型灌壁铅合金件进行了数值计算。后处理中采用插值技术,直观地显示了充填过程中自由表面的位置和形状。     

基于Projection VOF方法的熔模铸造蜡模充型过程数值模拟

针对熔模铸造蜡模充型过程数值模拟软件自主开发，建立了流动场和温度场数学模型，采用Cross-WLF粘度模型描述蜡料的流变性能，基于Projection VOF方法进行蜡料流动过程速度场、压力场以及自由表面的求解。通过试验测量获取了K512型蜡料的热物理性能和流变性能的相关数据，拟合得到粘度模型参数。分别在蜡料常粘度和变粘度模型两种条件下对扳机铸件蜡模充型过程进行模拟，结果表明，所建立蜡模充型过程数学模型能较好地描述蜡料的动态流变特性和传热行为。     

铝合金铸件氧化膜卷入的数值模拟

在直接有限差分法DFDM(Direct Finite Difference Method)进行铸件充型过程模拟的基础上,提出了充型过程自由表面碰撞中表面氧化膜破碎,及其后破碎氧化膜流动的计算模型.对试验铝合金铸件进行了模拟应用,使用特殊X射线装置对该铸件实际充型过程及自由表面进行了实时观察验证,通过实际铸件的气孔、收缩缺陷分布的检测,对氧化膜卷入模拟结果进行了定性验证分析.     

半固态AlSi15Cu3MgFe合金铸件触变充型过程的数值模拟

在充分考虑半固AlSi15Cu3MgFe合金触变过程中压力和速度变化特征的基础上,确定模拟计算所需要的基本方程、边界条件以及表观粘度的数学模型,并建立耦合表观粘度的充型模拟方程,计算并分析比较半固态铝合金平板件以及液态铝合金平板件的触变充型过程.结果表明,由于半固态表观粘度随剪切速率增大而下降,从而使半固态铝合金呈现剪切变稀的触变流动特点.最后对两个典型半固态铝合金铸件成形过程进行了模拟计算,进一步验证了半固态金属充型过程的平稳性.     

基于FLUENT的铝合金真空差压充型过程数值模拟

结合真空差压铸造特点,采用专业流体软件ANSYS Fluent中标准是k-ε模型对铝合金真空差压充型过程进行数值模拟,对某复杂薄壁铝合金壳体铸件进行了试制,并对模拟结果进行了验证与讨论.充型模拟结果表明,随着真空压力降低,真空度越高,铝合金液态金属的充型速度加快,充填形态更为平稳,无明显波动现象;在真空度为20 kPa时,铝合金铸件充型完整,卷气和裹气现象明显减少.实际结果与充型过程的模拟预测相符合.     

消失模铸造充型过程的数值模拟

通过建立适用于消失模铸造充型及传热过程的数学模型和边界条件，实现了液态金属在浇注系统和铸型内动量传递和热传递的数值模拟计算。模拟分析普通砂型铸造和消失模铸造充型差异表明，聚苯乙烯热解气体的反压阻力决定了消失模铸造充型过程不同于普通砂型铸造，表现为液态金属按所抵达的内浇口顺序依次注入型腔。通过模拟计算可预测冷隔产生位置，实现消失模铸造工艺优化设计。     

消失模铸造充型过程的模拟方法

通过分析消失模铸造充型过程的特点，提出了一种消失模铸造充型过程的计算模型，并用人工神经网络算法计算了充型过程中不同时刻液态金属-模样界面的位置．模拟计算结果与实际测试结果无论在充型形态还是充型时间上都符合得较好．     

考虑充型过程对初始温度场影响的缩孔缩松缺陷分析

使用Sola-Vof法计算了三维实际铸件的充型过程,提供了随时间变化的充型过程体积函效的变化和分布,并据此计算了充型过程中的传热现象,得到了考虑充型过程影响的初始温度场分布。计及初始温度场的分布,进行了凝固过程的数值模拟和缩孔缩松缺陷分析。针对工厂实际铸钢件蒸汽室盖进行了模拟计算和验证。结果表明,对大中型铸件,虽然浇注过程中很少发生凝固,但初始温度分布相当不均匀,考虑充型过程传热现象,可以使随后的凝固模拟及缺陷分析精度显著提高。     

应用粒子图像测速技术建立铸造浇注过程水模拟充型液体自由表面速度场

采用粒子图像测速技术对平板类铸件浇注过程水模拟的充型自由表面速度场进行了测试分析。用气泡作为示踪粒子。对底注式、阶梯式和缝隙式浇注系统进行了水模拟研究，建立了底注武浇注系统液体充型过程的自由表面速度场。结果表明，所建立的自由表面速度场能定量地反映充型过程的液体自由表面状态。     

充型过程数值模拟及算法优化

提高充型过程数值模拟的计算速度是流场模拟的一个研究热点.概述了模拟充型过程的数学模型并提出了一种算法优化方案,通过计算中减少对铸件及铸型网格单元的搜索次数来提高充型模拟的计算速度.这种方法的优点在于不影响模拟计算的精度.     

消失模铸造充型过程的人工神经网络算法

用人工神经网络算法计算了消失模铸造充型过程中不同时刻液态金属—模样界面的位置。通过实验对该算法进行了验证，模拟计算结果与实际测试结果无论在充型形态还是充型时间上都符合得较好。根据得出的界面位置及边界条件，通过求解N—S方程和能量方程计算了消失模铸造充型过程的流场及温度场。讨论了该计算模型在消失模铸造过程模拟仿真中的应用。     

充型过程中自由表面的数值模拟

对ＳＯＬＡＶＯＦ法进行了改进， 克服了传统的ＳＯＬＡＶＯＦ中的“施体受体”法在处理三维自由表面时易出现计算误差和时间步长小的缺点， 所建立的“三维施受体法”成功地用于充型过程中自由表面的数值模拟。在自由表面压力边界条件中采用新的压力插值函数， 解决了三维情况下因出现相互交叉或相互重叠的自由表面而导致的同一表面单元存在几个插值单元的情形， 用该插值函数不需确定自由表面的法向方向。     

依据充型模拟确定铸件浇注温度

使用Sola--Vof法计算铸件三维充型过程。确定不同时刻各单元的体积函数值与自由表面方向，推出各单元在不同时刘的有效散热面积。综合考虑铸件充型过程所伴随的热传导、对流、辐射等现象，得到铸件充型结束时的温度场分布，并据此确定合适的浇注温度。     

铸件充型过程流动的三维计算机模拟

采用SIMPLEC算法计算流场,一种基于VOF的改进方法用于三维自由表面处理,在微机上实现了一个优化的铸件充型过程流动模拟的CAE工具。采用面向对象方法开发数值模拟软件,提高软件的可靠性、可重用性、可扩展性和可维护性。并对熔融铝合金充填一矩形方腔的过程进行了模拟计算和实验验证,结果表明两者基本吻合。     

模样密度对消失模铸造充型模式影响的模拟计算

针对消失模铸造和普通砂型铸造中充型模式的差异,通过建立自由表面换热边界条件和压力边界条件,模拟了消失模铸造中熔融金属的充型过程,分析了模样密度对消失模铸造充型模式的影响.分析表明,消失模铸造中金属液从内浇道处呈放射状向前充填,充型较平稳进行,消失模气化反压与重力的相对大小决定了液态金属充型过程中的充填趋势.预测了铸造缺陷的产生过程.