基于ansys的铸件充型凝固过程数值模拟.doc
《基于ansys的铸件充型凝固过程数值模拟.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于ansys的铸件充型凝固过程数值模拟.doc(57页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、摘要铸造过程数值模拟是当前材料加工领域的研究热点,目前进行的研究多将充型过程和凝固过程分开进行,且多在铸造专业软件上实现。只进行充型过程数值分析,得到的温度计算结果不能预测缺陷,没有工程实用价值;只进行凝固过程数值分析,温度初始条件多建立在“瞬间充型、温度均布”假设的基础上,从而难以得到可靠的温度场、应力场计算结果,而建立在温度场结果基础上的缩孔、缩松、热裂判断也难以准确,尤其是在尺寸上厚大的零件。因此,研究在通用模拟软件上进行铸造充型与凝固全过程数值模拟,对铸造数值模拟的工程实用化水平的提高有着重大意义。本文研究了铸造充型和凝固过程各控制方程的离散,用ANSYS Fluent软件包实现了铸造
2、充型过程热流耦合计算及凝固过程温度场计算,得到了与实验相符的计算结果。用ANSYS Mechanical模块实现了铸造充型凝固过程流程、温度场、热应力场的计算,并进行了缩孔、缩松、热裂的缺陷预测。主要研究工作如下:1、 研究了铸造充型过程各控制方程的有限体积法离散方法;2、 研究了铸造凝固过程各控制方程的有限元法离散方法;3、 研究了ANSYS Fluent中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型、相变等设置方法,并实现充型过程热流耦合和凝固过程的温度场计算;4、 研究了ANSYS Mechanical中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型等设置方法,并实现充型过程热流耦合计算,并用热弹塑性
3、力学模型,耦合计算了凝固过程温度场和应力场;5、 比较了有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)在热流耦合计算的过程及结果,得出有限体积法在求解流动和温度上速度较快的结论;6、 选择合适的判据,对缩孔、缩松、热裂缺陷进行了预测。关键词:铸造 充型 凝固 温度场 流场 热应力场 数值模拟 AbstractCasting process simulation is the current hot research of materials processing field. Most current researches process do filling and solidification
4、process simulation separately, and implemented on cast professional software. Temperature field results of mold filling process numerical analysis can not be used to predict the defects, which provide no practical value for engineering; numerical analysis of solidification process based on the assum
5、ption moment of filling, temperature uniform, which can cause inaccurate results of the temperature field and stress field, and the shrinkage, thermal cracking defects predict will inaccurate too, especially heavy castings. Therefore, the study on the whole process of filling and solidification simu
6、lation on general simulation software has great significance to raise practical engineering level of casting numerical simulation.In this paper, discrete equations of filling and solidification process were studied.Using ANSYS Fluent software package coupled calculate temperature field and flow fiel
7、d of mold filling process and temperature field of solidification process, which consistent with the experimental results.Using ANSYS Mechanical module calculate temperature field, thermal stress calculation of casting process, and predict shrinkage, shrinkage and thermal cracking defects. The main
8、work is as follows:1. Use FVM discrete control equations of mold filling process.2. Use FEM discrete control equations of solidification process.3. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Fluent, and coupled calculate temperat
9、ure field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process.4. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Mechanical, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling pro
10、cess. And use Thermal elastic-plastic mechanical model, coupled calculated temperature field and temperature field.5. Comparied the process and results of FVM and FEM, and obtained conclusion that FVM is faster than FEM in flow field and temperature field calculation.6. Select the appropriate criter
11、ion to predict shrinkage, hot crack defects.Key words:Casting, Mold Filling, Solidification, Temperature Field, Flow Field, Stress Field Numerical Simulation 目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 铸造过程数值模拟国内外发展现状21.2.1 充型过程数值模拟国内外发展状况21.2.2 凝固过程数值模拟国内外发展概况31.2.3 目前铸造数值模拟存在问题及课题提出41.3 充型过程数值模拟方法51.3.1 充型过程流场模拟方法简介51.3
12、.2 充型过程自由表面处理方法简介51.3.3 充型过程数值模拟实验验证61.4 凝固过程数值模拟方法61.4.1 凝固过程热应力计算的力学模型61.4.2 热力耦合常用数值计算方法61.5 ANSYS平台软件简介7第二章 铸件充型过程流场与温度场耦合计算82.1 控制方程82.1.1 连续性方程82.1.2 动量守恒方程82.1.3 能量方程92.1.4 紊流模型及方程92.2 控制方程的有限体积法离散形式102.2.1 流场模拟的各种数值方法比较102.2.2 计算区域离散112.2.3 动量方程的离散122.2.4 连续性方程的离散122.2.5 VOF法自由表面函数方程的离散及自由表面
13、的确定132.2.6 能量方程的离散142.3 流场与温度场耦合计算的流程图15第三章 凝固过程数值分析163.1 凝固过程温度场数学模型及定解条件163.1.1 数学模型163.1.2 定解条件163.1.3 凝固潜热的处理183.1.4 瞬态导热控制方程的有限元解法183.1.5 三维瞬态温度场有限元法/有限体积法计算流程193.2 铸造凝固过程应力场数值模拟203.2.1 热弹塑性模型的本构方程203.2.2 热弹塑性模型的有限元算法23第四章 Benchmark标准试件铸造过程流场与温度场耦合计算254.1 伯明翰大学Sirrel.B标准验证实验简介254.2 充型过程流场与温度场计算
14、264.2.1 计算模型264.2.2 计算过程及结果对比264.3 凝固过程温度场计算294.3.1 边界条件及相变设置304.3.2 求解结果及对照304.4 小结31第五章 基于ANSYS Mechanical铸造过程流场、温度场、应力场计算325.1 充型过程流场与温度场耦合计算325.1.1 计算模型及材料参数325.1.2 边界条件与初始条件335.1.3 充型过程求解结果及分析335.2 凝固过程温度场与应力场耦合计算355.2.1 材料参数355.2.2 计算结果及分析365.3 缺陷预测395.3.1 卷气和浇不足缺陷预测395.3.2 凝固过程缩孔缩松判定395.3.3 热
15、裂的预测415.4 小结42第六章 有限体积法和有限元法在流场、温度场计算比较436.1 袁浩扬水力模拟实验简介436.2 网格离散模型及边界条件436.3 计算结果及比较446.4 比较结论45第七章 结论与展望467.1 结论467.2 展望46参考文献48发表论文和科研情况说明51致 谢52- ii -87第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言铸造是重要的零件成型方法,传统的铸造技术普遍存在着铸件质量差、废品率较高等问题,铸件生产多采用试错法,对于大型铸件或新产品的开发来说,周期较长、浪费大,不能保证铸件质量1。所以在铸造工艺设计阶段,用计算机模拟铸件的充型、凝固过程,对可能产生的缺陷进行
16、预测,改进铸造工艺成为一种行之有效的途径。铸造是直接将液态金属浇入铸型、流经浇道、进入型腔、充满型腔并冷却,得到需要的形状结构并具有一定力学性能的零件的过程2。它包括充型过程和凝固过程两部分,充型过程中,流动不平稳可能产生夹砂、卷气等缺陷;金属液进入型腔的速度(或流量)过小,充型时间过长,容易产生冷隔或浇不满;如果金属液速度过大则容易出现喷射现象,以及金属夹杂或铁豆,还可能使型壁破损,产生砂眼等缺陷。铸造凝固过程温度下降过快可能会产生缩孔缩松;而应力场的分布可以预测变形,热裂等缺陷,也可为补缩工艺提出建议。传统的铸造过程数值模拟常常把充型过程和凝固过程分开计算,凝固过程温度场数值模拟已比较成熟
17、,缩孔缩松的判据也较多,但以往凝固过程温度场计算多以浇注温度为初始温度,而实际上在充型结束时形成的往往是一个不均布的温度场,这对凝固过程数值计算的结果会产生很不利的影响。所以对铸造充型和凝固全过程温度场模拟得到的温度场是比较理想的,对缩孔缩松的判定也必将更加准确。充型过程是铸造的开始,传热、传质、冲击破坏等物理现象会在此过程中发生,这与铸件质量有着密切联系。充型情况不利,会产生夹渣、冷隔、浇不足、及卷气、砂眼等很多缺陷。铸造过程数值模拟发展至今,实例研究多集中在凝固过程的模拟上,缺陷预测基本上都是对缩孔、缩松缺陷。且传统凝固过程数值模拟是建立在“瞬间充满”假设基础上,铸件各部分初始温度均为浇注
18、温度,对厚大铸件来说,这种假设会带来较大的计算误差。所以,全过程考虑充型、凝固过程,对充型过程流场、温度场及金属凝固现象一并考虑,既可以为凝固过程提供准确的温度初始条件,也可以对“卷气”等浇注产生的缺陷作出预测。另外,流场计算可以得到流动的速度、压力变化规律,优化浇冒口系统设计,为铸造工艺设计提出改进意见。虽然人们越来越重视充型过程数值模拟,但由于充型过程控制方程多,计算量大,涉及的物理化学过程多,而且迭代结果不容易收敛,特别是自由表面的模拟难度较大,因而充型过程的数值模拟仍然比较困难。但随着计算机应用水平、数值方法和实验技术的进步,国内外相关专家学者对铸造充型过程数值模拟领域做出了突出的贡献
19、。1.2 铸造过程数值模拟国内外发展现状1.2.1 充型过程数值模拟国内外发展状况1) 铸造充型过程流场数值模拟国外发展现状和趋势80年代开始,铸造充型数值模拟在很多科研院所开始进行,台湾学者黄文星与美国匹兹堡大学R.A.Stoehr教授进行了铸造充型过程的流体力学数值计算3,开辟了充型过程研究的新领域。1987年以前是充型过程的数值模拟的初始阶段,所做模拟大多是模型简单的二维铸件,且为层流流动。台湾学者W.S.Hwang于1985年在匹兹堡大学完成了自己关于铸造充型过程数值模拟的博士论文,流速分布结果和流动模式的预测都比较准确。R.A.stoehr4等人于1986年模拟了带有三个辐条的滑轮,
20、模拟结果与丹麦P.Ingerslev博士的高速摄影结果的充型过程基本一致。上世纪九十年代以来,充型过程模拟方法越来越多,主要有包括MAC , SMAC , SOLA , SOLA-VOF , COMMIX , SIMPLE 和SIMPLER 等,模型也从层流到紊流,自由表面的模拟也从二维几何模型到三维几何模型。1995 年,第七届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上, 英国伯明翰大学B.Sirrell等公布了标准试验( The Benchmark Test ) 结果5。在此次大会上, 9个研究小组对铸件充型过程模拟计算, 验证各自软件的精确性。结果表明, 大部分计算结果与试验接近, 并均可预报卷气缺
21、陷形成, 铸件充型过程中温度场变化趋势及局部凝固位置预测较为准确, 反映了速度场计算已趋成熟。这个过程中,铸造商业化软件越来越成熟,很多国家的高校及科研单位都开发了自己的铸造专用软件。进入二十一世纪以来,商业化软件越来越成熟,例如芬兰的CASTCAE,美国的PROCAST,德国的MAGAMASOFT。在MCSP2004 会议上,日本KASHIWAI Shigeo 等进行真空吸铸充型过程数值模拟6, 为估计数值模拟结果准确度, 对铝合金AC4C 铸件充型过程进行X 射线实验观察,用两种吸铸压力(10kPa和20kPa)和3种减压速率(112 kPa/s,42kPa/s和80kPa/s)进行实验。
22、2) 铸造充型过程数值模拟国内发展概况80年代后期沈阳铸造研究所的王君卿进行了铸造充型过程流场数值模拟7,模拟方法有MAC、SMAC、SOLA-VOF法等。进入90年代后,我国各大学及科研院所也纷纷开展了铸造充型过程数值模拟方面的工作。相对而言,国内充型过程数值模拟技术开展较晚,规模也较小。1990年吴士平用SOLAMAC法实现了二维充型过程的数值模拟8,1991年清华大学的裴清祥采用SOLAVOF法实现了三维充型流动过程的数值模拟并进行了水模拟验证9。1994年沈阳铸究所的卢宏远等人对板类、套类压铸件充型过程进行了数值模拟10, 1995年华中理工大学的袁浩扬11和刘瑞祥12、1997年张卫
23、善13、2000年清华大学的贾良容14和荆涛15、2002年四川大学的齐慧等人均实现了充型过程温度场与流场耦数值模拟的研究16。近十年来,充型流场与温度场的耦合计算已比较成熟。在此过程中,铸造数值模拟程序也在快速发展。清华大学的张光跃、柳百成、荆涛等人开发了Windows操作系统下的铸件充型过程数值模拟软件FT-STAR,并在多家铸造厂的实际生产了应用。这个时期国外铸造软件多基于UNIX和MacOS等平台,使得基于windows平台的清华大学的FT-FLOW和华中理工大学华铸CAE有一定的受众。进入21世纪以来,国外这些成熟的软件也都开发出了基于windows平台的程序,而国内铸造模拟软件的飞
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 ansys 铸件 凝固 过程 数值 模拟
限制150内