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铸件充型过程三维数值模拟技术研究

俱英翠  
【摘要】: 铸件充型凝固过程数值模拟是当前材料加工领域的研究热点,铸造过程流场和温度场及其耦合的数值模拟在铸造仿真系统中占有重要地位。同时流场是计算量最大,耗时最多的一个过程,也是影响数值模拟实用化的重大障碍,因此研究高效率的流场对推进数值模拟软件整体水平有很大的意义。 论文在原有流场只适用于简单反重力充填模拟的基础上,改进流场计算技术使之适用于各种铸造充填方式的模拟计算;并继续开发了充型过程流场与温度场耦合模拟计算程序,以及能以多种方式显示计算结果的后处理程序。 在流场计算方面,在全面比较各种数值计算方法的基础上,采用了在国内外应用较少的数值计算方法—Simple结合守恒标量法—来计算铸件充填流动过程。Simple算法可以较为准确的模拟出充型过程流场的流动状态,用守恒标量法可以准确地捕捉自由表面网格,不需要确定自由表面取向,易于进行三维计算。通过对实验铸件“反重力充填大平板”和实际铸件“链轮、锤头、履带板”等的对比计算表明,与当前软件所采用的Sola-VOF法相比较,该方法更为准确。 论文将流场计算所必须的50个三维数组全部设为动态数组,并且重新归整了流场计算的出口及入口条件,使所开发的程序可以计算任意数量网格的铸件三维流场,可以计算各种条件下的流动过程,大大提高了计算速度,使软件的应用范围扩大到适用于所有情况,将软件水平提高到商品化的高度。 论文将模拟结果与反重力实验对比,计算结果表明模拟情况与实验可以很好的吻合。还与Ft-star和ProCAST在准确性和速度方面进行对比,结果表明,和其他软件模拟情况吻合很好,证实了计算的正确性,但计算速度有待进一步改进。同时对如何提高计算速度作了理论分析。 所开发的流场与温度场的耦合程序,通过对试件的模拟结果的分析也表明其合理性。该项工作的完成为后续的高速流场,紊流计算、流场与温度场的耦合及为后续缺陷预测等工作的开展打下了良好基础,搭建了可扩展性平台。 采用C++Builder技术和OpenGL技术,架构了软件框架,编制了用户界面和后处理显示程序。可以满足基本的计算要求和后处理显示要求。


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