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铸件充型过程三维数值模拟

王旭波  
【摘要】:目前,迅速发展的市场经济对于生产效率和铸件质量越来越高,而采用传统的工艺设计方法,生产周期长,废品率高,远远不能适应这种要求。进行铸造过程流场温度场的三维数值模拟,不仅可以使人们不通过试验便对铸件充型过程有一个直观的印象,还可以对接下来的的凝固过程数值模拟提供合理的初始化温度场,以便科学的预测铸造缺陷的产生,确保铸件质量,优化工艺设计,缩短试制周期,提高产品的市场竞争力。铸造过程流场温度场的数值模拟在铸造模拟仿真系统中占有重要地位,由于其模拟过程复杂性,也是在铸造模拟过程中难点之一。 作者采用国际上流行的SOLA-VOF方法,利用动量方程,能量方程和连续性方程,成功的实现了对铸件充型过程三维数值模拟。软件前期采用非均匀网格剖分更能够真实反映铸件的原始形状,在求解过程中通过对方程的变形把动量方程迭代分为由压力项计算过程和非压力项计算过程,使软件在计算过程中迭代计算量大大简少,以达到软件模拟速度符合实际工程中对于模拟速度的要求。 在流动过程中对传热方程进行耦合计算,温度场耦合计算过程中,根据液态金属物性值在充型过程中变化很小的实际情况,对金属液物理性质采用了线性插值的处理方式,在每一个时间步长结束后对于液态金属物理性质统一进行处理,并不参于流场、温度场的耦合计算,在不影响精度的情况下减少计算量。有效避免了复杂的迭代过程,使复杂铸件的模拟成为可能,为后续进行准确的凝固模拟提供了初始的温度场。 本文通过水在透明模型中的流动来模拟金属液在实际铸件中流动形态,利用高速摄像仪器进行了流动过程拍摄,通过比较分析,流动过程符合模拟结果。为了验证温度场的计算结果,本文利用热电偶对真实铸件充型过程内部温度进行了测量,与软件模拟结果进行对比分析,模拟结果曲线符合实际铸件测量曲


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