球墨鑄鐵具有強度高、韌性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點,在汽車、船舶、農(nóng)業(yè)機械以及軌道交通等行業(yè)具有重要應用,是目前應用最為廣泛的鑄造材料之一。然而,由于糊狀凝固特性和石墨化膨脹效應,其縮孔縮松等缺陷成為球墨鑄鐵件中難以有效解決的問題。數(shù)值模擬技術(shù)可以輔助工程師更加精確地分析鑄鐵件中縮孔縮松缺陷的形成規(guī)律,從而設(shè)計出更為合理的工藝方案。本文針對球墨鑄鐵物性參數(shù)計算、凝固溫度場數(shù)值仿真以及縮孔縮松預測等方面展開研究。主要內(nèi)容包括:（1）基于熱物性參數(shù)的計算理論,利用材料性能模擬軟件JMatPro獲得了準確的球墨鑄鐵凝固熱物性參數(shù)。（2）從流體力學基本能量方程出發(fā),推導出變物性參數(shù)下的凝固溫度場數(shù)學模型,并利用有限體積法對其進行數(shù)值離散,實現(xiàn)了復雜裝配條件下鑄件的凝固溫度場的數(shù)值計算。（3）利用球墨鑄鐵的密度-溫度曲線對石墨化膨脹進行定量化表征,并基于孤立補縮區(qū)域的凈膨脹率確定了鑄件局部膨脹/收縮量,結(jié)合所提出的縮孔縮松分配模型實現(xiàn)了球墨鑄鐵凝固過程中縮孔縮松缺陷的定量預測。（4）針對簡單圓柱鑄錠以及球鐵基座鑄件的鑄造成形過程,采用已開發(fā)的鑄鐵凝固模擬程序?qū)ζ溥M行縮孔縮松預測,并與實際生產(chǎn)結(jié)果進行對... 

【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

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潛熱釋放過程的時間離散Figure3-7Timediscretizationoflatentheatreleaseprocess

華中科技大學碩士學位論文30nnnnnppppppbcTL(3-24)根據(jù)當前時刻的溫度場和物性參數(shù)表，初始化系數(shù)矩陣A和向量b的所有元素，求解線性方程組(3-22)即可得到下一時刻的溫度場分布。通常情況下，單元個數(shù)N的數(shù)量級是百萬級的，A中元素個數(shù)為12NN100D�？紤]到系數(shù)矩陣A中絕大多數(shù)元素的值為0，本文采用行壓縮格式[75](CRS)的稀疏矩陣存儲系數(shù)矩陣A，并采用預條件共軛梯度算法[76](PCG)求解方程組。3.3鑄件凝固溫度場模擬的實現(xiàn)3.3.1多材質(zhì)網(wǎng)格剖分實際鑄造工藝中，需要考慮的材料不止一種。以重力鑄造為例，涉及到的工藝部件有金屬液、鑄型、型芯、冷鐵、冒口套等等，這些部件往往都是由不同材質(zhì)構(gòu)成的。比如鑄型一般是砂子，冷鐵一般為銅質(zhì)，冒口套則為各種保溫材料。若要準確計算鑄件冷卻過程中的溫度變化，需要同時計算所有部件的溫度變化及其之間的熱相互作用。圖3-8網(wǎng)格剖分示例Figure3-8Meshdefinitiondiagram本文采用統(tǒng)一的網(wǎng)格對多個部件進行網(wǎng)格剖分。首先將各個部件的三維幾何按照幾何關(guān)系裝配到一起，然后對整個裝配體進行網(wǎng)格剖分，對剖分好的每個單元，按照其所屬部件的編號，賦予一個部件標識。如圖3-8所示，裝配體共有5個部件，剖分

華中科技大學碩士學位論文31的網(wǎng)格內(nèi)，每個單元分別有一個數(shù)字作為標識。各個部件的接觸面對應網(wǎng)格中各個單元的接觸面，并且接觸面上兩個相鄰網(wǎng)格的節(jié)點一致，這樣的網(wǎng)格稱為共節(jié)點網(wǎng)格。重力鑄造中，鑄件的熱量通過擴散作用傳遞到鑄型，鑄型的熱量通過其表面與空氣的換熱作用傳遞給空氣，空氣通過對流作用將熱量帶到大氣。因此，在剖分網(wǎng)格的時候，本文在裝配體外剖分一層空氣網(wǎng)格，用以計算鑄件和空氣的換熱作用。3.3.2邊界條件和換熱系數(shù)本文假設(shè)與鑄件接觸的空氣層保持固定的溫度aT，求解區(qū)域的邊界條件就是一個迪利克雷邊界條件1,npaTTpair;¨;è8(3-25)空氣層包裹了整個裝配空間，因此整個求解域的最外層，都施加了迪利克雷邊界條件。不同部件之間存在接觸面，因為實際生產(chǎn)時，這些接觸面不可能完全貼合，因此存在熱阻，本文通過定義界面換熱系數(shù)來表征這一現(xiàn)象。同時，空氣和鑄型表面的換熱系數(shù)可以表征對流換熱作用。圖3-9接觸面兩邊溫度分布與熱阻示意圖Figure3-9Schematicdiagramoftemperaturedistributionandthermalresistanceonbothsidesofcontactsurface如圖3-9所示，設(shè)兩個相鄰單元P和N分別屬于不同的部件，單元中心的溫度分別為TP和TN，定義h為接觸面S上的換熱系數(shù)，面S上靠近P側(cè)的溫度為T1，靠近N側(cè)的溫度為T2，P到面心Q的距離為d1，N到Q的距離為d2，kP和kN分別為單元P和N的導熱系數(shù)，則線段PQN上的溫度分布如圖中紅色虛線所示。

【參考文獻】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3593829