用直接差分法进行凝固过程数值解析的研究

本文论述了直接差分法对于凝固过程数值计算的适用性.为了使这种方法应用于具有复杂形状和复杂边界条件的铸件系统,本文编制了剖分与数据自动形成的预处理程序及凝固数值计算的通用程序.并将用直接差分法进行数值计算的结果与数学解析解进行比较,说明其在保证收敛的条件下具有实用上所需的精度以及计算时间短、成本较低等优点.本文最后用直接差分法对带有冒口的纯铝圆柱形铸件进行了凝固解析,计算结果与实验值相比,误差在6%以下.因此可以认为,直接差分法是进行凝固数值计算很有前途的方法.本文在设计二维凝固解析程序的基础上,指出了开发三维凝固解析程序的必要性.     

三维凝固数值解析的研究及其对铝合金铸件的应用

本文将直接差分法用于铸件的凝固数值计算,在原来二维凝固计算的基础上加以扩充,编制了原则上适用于任意复杂形状铸件的三维凝固解析通用程序;为使需要输入大量数据的三维计算付诸实用,还研究编制了数据自动形成预处理程序.从L形纯铝及铝硅合金铸件的计算结果说明,这种形状的铸件不能采用二维计算,而三维计算结果接近于实验值.作者又在L形铝合金铸件的底部按置冷铁进行了实验和计算,结果指出:对具有一定凝固范围的共晶型合金,凝固过程中的固相线推进速度与微观缩松之间具有很好的对应关系.因而提出:在补缩方向的固相线推进速度可以作为此类合金微观缩松程度的判别参数,并有可能在采用工艺措施控制固相线推进速度的同时,通过数值计算来确保获得组织致密的铸件.     

离心铸造大型汽缸套凝固过程的数值模拟及实验研究

本文以离心铸造280型柴油机汽缸套为对象进行了数值模拟及实验研究。计算采用了全隐格式的直接差分法,用热焓法处理潜热;在边界处理中考虑了模套外表面的对流换热及铸件内表面的辐射换热。同时,设计制造了一套柔性传动的刷一环测温装置,获得了实测温度场。数值计算结果与实测温度场基本吻合。由计算结果和对铸件本体的解剖可见:离心铸造汽缸套的凝固过程主要取决于传热的综合效应,在不同部位表现出不同程度的双向凝固,不存在明显的同时凝固区域;缩孔产生于临界固相率曲线封闭位置深入断面中心的情况下;缩松产生于固相率梯度很小的场所,特别是遍布于固相率梯度为负值的区域。改变与传热有关的工艺条件可以改变缸套的凝固方式,有可能控制或避免缩孔、缩松缺陷。     

球墨铸铁件凝固过程三维数值模拟

根据卡赛提出的球墨铸铁件补缩原理,本文对球墨铸铁件凝固过程中的体积变化进行直接数值模拟,将模拟结果换算整理成铸件表现密度与浇注结束后时间的关系曲线,按此曲线,可根据冒口颈封闭时间来判断收缩缺陷的有无及严重程度。数值计算中考虑了共晶前期的温度回升、铸件和铸型间的紧密接触、二次收缩和铁水回流等球墨铸铁件的特有现象。对于试样中的收缩缺陷的程度和位置,数值模拟结果与实验结果基本符合。     

大型钢锭夹杂沉积区形成过程的计算机模拟

将自浇注起到钢液中自然对流衰减至不足以把允许的最大夹杂物带回底部为止的时间称为临界时间.夹杂沉积区就是在临界时间内所形成的底部等轴晶区,该区由三部分构成:顶面下落的结晶雨;侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶和底部由于传热而造成的凝固生长.本文在以热量平衡为基本原理的凝固数值模拟的基础上,结合自然对流的边界层理论,给出了临界时间的计算方法;又结合氯化铵水溶液的模拟实验,给出了顶面结晶雨的定量计算方法;此外,还提出了侧壁树枝晶枝臂的熔断和折断所形成的自由晶,以及钢锭底部由于传热而造成凝固生长的定量计算方法.根据上述模型编制了夹杂沉积区形成过程的数值模拟程序,针对68吨27 Cr2Mo1V 转子钢钢锭进行了夹杂沉积区形成过程的计算机模拟,模拟结果求得切尾率为8.11%.而实际生产中钢锭的切尾率为8.8%.两者大体相符.     

大型钢锭凝固过程的计算机模拟

本文分析了钢锭-锭模系统的各种边界以及浇注过程中的热交换,应用直接差分法,建立了考虑浇注过程中热交换情况的大型钢锭凝固数值模拟方法,提出采用辐射传热处理钢锭、锭模边界产生气隙后的边界条件。最后应用所编程序计算了60t钢锭的凝固温度场,计算结果表明,显式直接差分法进行凝固数值模拟,单元剖分简单,计算方便。60t钢锭的计算温度场符合钢锭的凝固趋势。