第二章压力条件下数值模拟模型.doc

第二章 压力条件下凝固过程温度场及缺陷判据数学模型 2.1 前言 铸造是一种毛坯成型工艺，它是将液态的金属浇注到铸型中，待金属液冷凝后成型，并具有一定性能的方法。最常用的是砂型铸造。由于铸造性能的好坏是由流动性与收缩率来评估的，而砂型铸造生产工序过多，且工艺过程中金属液的流动性、金属的收缩均较难控制，故易出现铸造缺陷，内部组织粗大、不均匀，使铸件的性能得不到提高。近些年来，随着科学技术的快速发展，铸造生产技术也在不断的发展，新的工艺方法的出现使得铸件的性能及生产率有了很大的提高。 国外于20世纪初期研究并进行应用低压铸造工艺，国内是从20世纪50年代开始研究低压铸造，而将工艺应用于工业生产只有近四十年的时间，相对来说较为年轻。国外离心铸造的发展史较长，已有一百多年，但实际在企业的应用却是在20世纪初期推广的,在国内离心铸造应用与生产的历史大约四十多年。 低压铸造在汽车轮毂的制造方法中占主要地位，整个过程包括了铸型的预热、合模、升液、充型、增压、保压、泄压、取件几个步骤；离心铸造在管道的制造方法中应用广泛，它的过程包括铸型的预热、喷洒涂料、铸型的装配、浇铸拉出铸件等几个步骤。压力条件下在铸造过程中诸多因素影响着产品的内部质量及生产效率，然而对企业来说，产品质量、生产效率是生存的基本，所以企业在不断寻求提高质量与效率的方法。 铸造凝固是金属液通过铸型向周围介质散热的过程，是一个复杂的物理化学问题，而凝固过程数值模拟就是考虑生产过程中诸多影响因素，通过计算机将生产过程进行模拟分析，一是预测铸型内外表面的温度分布情况，方便金属铸型的选材与设计；二是直观地预测各时刻的金属液的凝固状态，预测凝固时间，可以进行生产效率的预测； 三是预测铸件凝固后是否会产生缩孔、缩松等缺陷以及其产生的位置、大小，通过调整工艺参数控制铸件凝固顺序，实现顺序凝固，减少或消除缺陷，指导企业进行产品质量的控制。其中温度场模拟计算是凝固分析的基础、缺陷预测准确与否的基础，从温度场计算的动态凝固过程可以直观的定性分析是否会产生缺陷。从而对提高产品质量，缩短研发周期降低生产成本有着重要意义。 2.2 基于直角坐标系的低压铸造凝固过程数值模型 低压铸造铝合金轮毂的密闭铸型型腔是由上模、下模及四个边模组成，首先将铸型预热，为了不让金属液激冷而降低流动性，使铸件无法成形，并且防止铸型受到金属液的激热而开裂，降低使用寿命；然后金属液浇入预热后的型腔，进过一个生产周期，热量逐渐进行传递，液态金属的温度将不断下降，而铸型受热温度将上升。 一般进行凝固过程的温度场模拟时，往往将浇注温度作为初始温度，并未考虑充型的热量损耗对温度场的影响，为了得到更为准确的温度场，我们对充型过程温度场进行了模拟，以此作为进行凝固过程温度场的模拟基础。 2.2.1低压铸造工艺条件下的热交换情况分析 铸件在凝固过程中的热交换的形式主要有三种：辐射、对流、传导三种。 1、热传导 导热的基本定律是傅里叶定律，即导热的比热流量q与温度梯度成正比，即 （式2-1） 式中，—；—或℃；—（或℃）/m；—导热系数。 导热系数随温度的变化可以近似用线性形式表示： （式2-2） 式中，—某基准温度条件下的导热系数；—温度系数，正负取决于所考虑材料。 2、对流 对流换热的数学方法是牛顿冷却定律，即 （式2-3） 其中，为壁面温度；为流体温度；为对流换热系数，由努希尔准则决定。 3、辐射 处理辐射换热的数学方法是斯蒂芬—玻耳兹曼定律： （式2-4） 其中，为斯蒂芬—玻耳兹曼常数或者绝对黑体的辐射常数，直接测定值为，一切物质所能辐射的热量只等于黑体辐射热量的一定成数，显然。 2.2.2 控制方程的建立 上述的三种热交换方式中，辐射和对流基本发生在边界，当铸型中充满了金属液，那么铸件的凝固过程可认为是以热传导为基础的不稳定导热过程。所以铸件凝固过程中温度场数值模拟的基础是根据能量守恒定律建立起来的不稳定导热偏微分方程。其基本原理是：导入与导出微单元体的净热量+微单元体内热源的发热量=微单元体中热力学能的变化率。图2-1所示。 (式2-5) 式中：为金属液密度，为比热容，为导热系数，为温度，为时间，为单位体积的内热源。