铸件凝固过程收缩缺陷宏微观数值模拟

作     者：陆皓 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑洪亮

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：凝固过程数值模拟 收缩缺陷 宏微观 计算效率 计算精度 

摘      要：铸造产业一直是现代机械制造业的重要组成部分之一,随着时代的进步和可持续发展理念的提出,使用最小的成本来获得最优质的铸件已经逐渐成为铸造业必然的发展目标。铸造过程数值模拟技术能够为铸造生产提供有效的技术支持,在分析缺陷产生情况、预测产品质量、改良技术方案等方面发挥着重要的作用,而在实际生产过程中,需要进行模拟分析的铸件往往体积较大且结构复杂,受个人计算机配置的限制,模拟周期相对较长,如何提高模拟计算过程的计算精度和计算效率一直是广大专家学者的研究重点。本文针对此问题提出了宏观缩孔度模型、宏微观缩松度模型和动态网格技术模型,对传统铸造凝固过程数值模拟的计算模型进行改进,有效的提高了模拟计算过程的效率和精度。宏观缩孔度模型是建立在原有算法基础上,通过每一时间步长实时消耗当前步长内产生的收缩量,并平均赋予每一个顶部熔池单元,使其具有一定的缩孔度,此缩孔度不断叠加,直至达到100%后将网格标志修改为缩孔,并进行下一层单元的判断。通过算法模型,由于实时的消耗收缩量,一部分由于凝固而被判定为完全充满的铸件网格具有一定的缩孔度,通过缩孔度分布拟合得到更加贴合实际的缩孔形貌,且使缩孔缺陷的预测和显示脱离网格空间步长的限制,可以有效的提高缩孔缺陷预测的计算精度。宏微观缩松度模型将宏观凝固过程数值模拟与微观组织模拟元胞自动机算法相耦合,按照一定的运算次序并行计算。同时,建立了宏微观缩松度的算法模型,通过宏观温度场的计算为微观模型提供实时的温度曲线,以获得更准确的微观组织模拟结果,并通过微观模型为宏观计算模型提供缩松部位的微观形貌,获得缩松网格的微观缩松度,提高缩松缺陷预测的计算精度。动态网格技术模型是针对空间步长减小时计算时间骤增的现象提出的算法模型,在温度场计算过程中采用较大的空间步长,对固液界面前沿等可能出现收缩缺陷的部位进行局部细化后,根据提出的场值再分配的算法对小网格进行温度和物性参数的再分配与收缩缺陷的预测和表征。通过该算法能够大幅度的提高凝固过程数值模拟计算的计算效率,在相同模拟精度的条件下,能够提高数十倍的计算效率。本课题基于Microsoft Visual Studio 2015编译平台,使用Visual C++程序开发语言设计了三维铸铁凝固过程数值模拟程序及二维铸铝宏微观结合数值模拟程序,可以实现铸造凝固过程宏观温度场变化、收缩缺陷的预测以及宏观温度场和微观组织数值模拟元胞自动机法的耦合计算。通过实验验证和模拟对比证明软件计算模型设计准确、计算速度快,具有较强的实用性。