凝固过程数值模拟的基础和实践.ppt

第二节 流动解析 流体的分类(复习) 稳定流和非稳定流 层流和紊流 判据:Re=(流速?代表长度)/(粘度?密度) 势流和粘性流(后者含牛顿流体) 势流是无粘性、无涡度的流动 牛顿流体是流动阻力与变形速度成比例的粘性流 管内流动和敞开流动 质量守恒 (单位时间质量的增量)=(单位时间流入的质量)-(单位时间流出的质量) 连续性方程 动量守恒 牛顿第二定律 (单位时间动量的增量)=(单位时间流入的动量)-(单位时间流出的动量)+外力 考虑2维情况时的假定 1. 密度,粘度为常数 2. 外力有压力,粘性力,重力 又称为Navier-Stokes方程 第三节 凝固解析 (1)为掌握铸造生产效率,希望知道凝固时间。 (2)开型时间的了解 (3)收缩的预测 (4)组织偏析的预测 (5)凝固组织,性能的推测 (6)铸造应力的推测 (7)铸型条件的预测 (8)控制凝固条件 平衡状态图和平衡凝固 Al-Cu 二元合金的平衡状态图 一些基本概念 液相线和固相线,共晶线 固液共存区 固相浓度,液相浓度和平衡分配系数 (k0=CS/CL ) 固相率,液相率和杠杆定律 (fS=(CL-C0)/(CL-CS) ) 杠杆定律的简要推导 ρSVS+ρLVL= ρV fS= ρSVS / ρV ， fL= ρLVL / ρV ｆS+ｆL= 1 ρSVSCS+ρLVLCL= ρV C0 两边同时除以ρV fS=(CL-C0)/(CL-CS) 关于冷却曲线 非平衡凝固 的概念 过冷---温度虽达到液相线温度TL但凝固并不开始,在TL以 下的某个温度TL’才开始凝固。这个温度差ΔT=TL - TL’ 被称为过冷度。 溶质分布,偏析 生核与过冷 凝固开始必须有固相的核存在,温度不上升,浓度 不变的前提下能稳定存在的最小结晶就是”核”, 亦称凝固核。凝固核的形成过程称为形核过程。 形核的机理有两种,匀质形核和非匀质形核。匀 质形核是熔融合金的原子之间相互凝聚成核,这 需要很大的过冷度。通常的铸造过程几乎不产生 匀质形核而是非匀质形核。 凝固模式 形成凝固壳的树枝晶凝固 接近于纯金属的合金,凝固温度范围小的合金(如铸钢),急冷 海棉状的树枝晶凝固 凝固温度范围小的合金,缓冷(如砂型铸造)时易于发生 糊状等轴晶凝固 凝固温度范围大的合金,缓冷时易于发生 形成凝固壳的等轴晶凝固 比如共晶合金快冷 普通铸铁的凝固 共晶团(奥氏体+石墨) 球墨铸铁的凝固 第四节 CAE的基本 粗 框 图 CAE的基本构成 前处理 (CAD数据的导入) 求解器 (解析计算) 后处理 (显示结果) 细 框 图 事前准备(目标的设定, 收集相关信息) 建立模型,确定解析范围 结果分析 对照评定标准 结果输出 实施解析计算 制作待解析的数据 结束 修改方案 修改待解析数据 不好 好 有限差分法 有限元法 边界元法 第一章的习题 推导一维热传导的微分方程。 对 实施差分处理。 理解几种凝固模式的意义。 掌握CAE流程的概念,用自己理解的语言来表达。 计算机在材料科学中应用－ 计算机模拟部分 － 任课教师: 杨弋涛 上海大学材料学院材料工程系 教学背景 CAD, CAE, CAM是材料科学领域的技术前沿和活跃的研究领域。 在铸造领域里,铸件凝固过程计算机模拟是最核心的内容之一。 在铸造工业上具有重要的实用意义 铸造过程的回顾 什么是铸造过程? 简单的一句话概括,即液态金属浇入铸型并在铸型中经凝固和冷却,得到铸件。 充型过程可能引起的铸造问题有卷气,夹渣,浇不足,冷隔,砂眼等 凝固过程可能引起的铸造问题有缩孔,缩松等 冷却过程和铸造应力,裂纹等产生联系 计算机模拟的作用 有助于认识一些铸造缺陷的形成 优化工艺参数,协助提高产品质量 缩短试制周期,降低成本 Return 教学的主要目的 一.了解该数值模拟的理论基础 二.建立数值模拟在金属材料科研中应用的 基本概念 三.掌握模拟工具软件的使用流程。 教材 主要内容 数值模拟的基本理论和方法 数值模拟在材料科学研究中的应用 模拟前的预备工作 模拟软件的使用方法与结果分析 铝合金的半固态压铸成形过程的模拟 CAE在生产实践中的应用 配套的网络课程(主要解决动画显示) 49/ytyang/Network-ngmn/ 凝固模拟 流动模拟 Φ970钢锭的充型过程(温度场显示) 浇注时间约 1180秒 Φ970钢锭的凝固过程 凝固时间约 8641秒 第一章 数值模拟的预备知识 (基本理论和方法) 第一节 传热解析 第二节 流动解析 第三节