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基于ANSYS的铸件充型过程的数值模拟研究

陶盼  
【摘要】: 铸件充型过程是铸件成形的第一个阶段,对铸件的凝固过程有着重要的影响。因此,了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。本文以有限元软件ANSYS为平台,对HT150长方体铸件充型过程的流场与温度场进行了深入的研究。 以ANSYS-CFD模块为平台,利用不可压缩流体的流动控制方程和标准K ?ε模型,进行了水充型过程流场的数值模拟。用已有实验结果验证,表明模拟结果是可信的。在漏包浇注条件下,研究了不同的浇包形状对充型时入口速度、填充顺序和流动状态的影响。指出当采用不良形状浇包充型时入口速度波动较大,会产生浇道内的流空现象,并可能使大量气体卷入。对不同入口速度的HT150金属液充型进行了模拟计算,考察了其填充顺序以及自由表面形貌。当入口速度较小时,充型过程平稳,无卷气现象,自由表面没有明显起伏;当入口速度较大时,直浇道下方压力大,金属液在充型过程中与型壁之间撞击强烈,卷气现象明显,自由表面上方有明显的塌陷。 为使金属液的流动更接近真实的情况,本研究中采用变黏度值与变密度值,对充型过程进行了耦合流场与温度场的数值模拟研究,分析了HT150金属液充型过程中流场与温度场的相互作用,并比较了耦合温度场与未耦合温度场的流场。结果表明,在充型过程的强迫对流换热模式下,流场对温度场的分布起决定性的作用,而温度场对流场的影响微弱。原因是流体是温度的载体,流场的变化决定了温度场的变化;而在充型过程中因温度变化引起的黏度变化非常小,而密度变化引起的自然对流相对于充型本身的强迫对流而言也很微弱,因而温度场对流场的影响微弱。因此,耦合温度场与未耦合温度场的流场基本一致。入口速度、浇注温度和铸型条件是影响金属液充型过程的重要因素。入口速度对充型过程的流场和温度场的影响都很显著。入口速度小时,充型平稳,充型时间长,热量损失大;充型速度大时,金属液与型壁撞击强烈,热量损失也大。不同浇注温度时,充型过程中流场变化基本相同,而浇注温度的高低直接决定了充型结束时型腔内金属液温度的高低,但对型腔内温度场的变化趋势没有明显的影响。铸型条件对流场的影响不明显,但直接影响充型过程中型腔内金属液温度的高低。 结合以上模拟结果并综合考虑铸件形成过程中可能产生的冲砂、缩孔缩松、气孔等缺陷,在充型过程中宜采用适中的入口速度,在保证铸件能充满型腔的前提条件下,宜选择较低的浇注温度。


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