凝固过程数值模拟剖析
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。
凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。
通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。
具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。
这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。
2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。
数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。
3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。
通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。
4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。
这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。
通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。
多元合金两相区凝固过程的数值仿真研究
式中 : C i, S 为局部固相溶质 i 浓度; C i, L 为局部液相溶质 i 浓度; C i, 0 为合金的初始溶质 i 浓度 ; X 为凝固前沿位 置, 为二次枝晶臂间距半长 , X 和 都与凝固时间 t 有 关, 在模型推导中需要通过引入适当的固相生长模式 和粗化模式来对其分别加以确定, 本文采用抛物线固 相生长模式 和标准粗化模式 。 为方便推导起见, 在 ( 1) 式左右两侧同时除以最 终计算域尺寸
n- 2m
n- 1
( 1- k P ) 1 B!i = ( m - n) n Ci, 0
f
S n- m
- 3∀i
f S m- n f S m- n - f S
n
( 7 1)
m m- n
fS f
n- m+ 1 m- n
- 1
S
n- 1 m- n
+ 3∀ i C i, 0
f S m- n
n- 2m
( 7 2)
X 0
x = 0, = 0
( 4)
X = = S = = 0, C i, L = C i, 0 t = 0, = 0 ( 5) 通过对控制守恒方程 ( 2) 式取无量纲凝固时间 的偏微分计算, 并在采用菲克第二定律来描述固相溶 质扩散, 以及溶质在固相区域内呈二次方分布的前提 条件下, 经过数学推导和移项整理 , 可获得微观偏析模 型的最终形式的核心控制微分方程 : dC i, L = A!i C i, L + B!i df S
收稿日期 : 2006 12 07; 作者简介 : 冯 科 ( 1974 修订日期 : 2009 02 11 ) , 重庆人, 工学博士 . 主要从事连铸冶金过程
算来扩展获得, 因此以二元 Fe i 合金为研究对象进行 数学模型的推导 , 然后再根据推导结果进行多元化扩 展。
金属液流动与凝固过程数值模拟分析方法研究
金属液流动与凝固过程数值模拟分析方法研究金属液流动和凝固过程数值模拟分析方法研究概述金属液流动和凝固过程是金属材料加工中的重要环节，对于金属制品的质量和性能有着重要影响。
因此，研究金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法具有重要的理论价值和实际应用价值。
本文将针对金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法进行研究，探讨其原理、步骤和应用。
一、数值模拟方法原理数值模拟方法是通过将物理系统离散化为有限的控制体积或网格，建立物理方程组，并使用数值计算方法求解，从而获得系统的增量或离散化解。
在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，通常采用的是计算流体力学方法（CFD）或有限元方法（FEM）。
计算流体力学方法以连续介质力学为基础，通过对连续介质流动进行方程建模和求解，获得流动场的信息，进而研究流动的性质和变化规律。
在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，流动方程通常采用Navier-Stokes方程，并结合运动边界条件、控制方程和物理方程对金属液流动过程进行数值模拟。
有限元方法是通过将物理系统划分为有限个单元，通过使用多项式近似解的方法，得到局部解之后，通过求解单元间的关系得到整体解。
在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，有限元方法通常采用二维或三维的网格划分方法，将金属液的流动与凝固过程离散化为有限个单元，然后针对每个单元进行方程建模和求解，最终获得整体的解。
二、数值模拟方法步骤1. 建立几何模型：首先需要建立金属液流动和凝固过程的几何模型，通过CAD软件或者网格生成软件能够实现。
2. 网格划分：将几何模型离散为有限个单元或控制体积，进行网格划分。
在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，网格划分需要根据流场的特点和凝固过程的要求进行合理的选择。
3. 建立物理模型：在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，需要对流动方程、凝固方程和物理方程进行建模。
根据流动的性质和过程的要求，可以选择不同的物理模型。
4. 边界条件和初始条件：通过观察实验或实际生产中的数据，确定流场和凝固过程的初始条件和边界条件，以供数值模拟求解时使用。
热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟
热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟在金属材料的生产过程中，热型连铸是一种重要的凝固方法。
通过热型连铸，可以制备出具有优良性能的金属材料。
而在热型连铸过程中，凝固微观组织形成的过程对最终材料的性能起着至关重要的作用。
为了更好地理解凝固过程中的微观组织形成机制，科学家们采用数值模拟方法进行研究。
热型连铸可以简单地理解为利用铸铁管将金属液注入到铸模中，通过正向或背向冷却，实现金属材料的凝固过程。
在凝固过程中，液态金属逐渐转变为固态金属，同时伴随着组织结构的形成。
这种组织结构及其形成机制是决定材料性能的重要因素之一。
通过数值模拟方法，研究人员可以在计算机上根据已知的物理建模和模型、热力学和凝固动力学方程，模拟热型连铸凝固过程中微观组织的演变过程。
通过模拟计算，可以预测凝固过程中的温度场、相变行为以及组织形态的演变规律，为优化工艺参数和改善材料性能提供理论依据。
在热型连铸凝固过程的数值模拟中，研究人员首先需要构建合适的凝固模型。
这个模型通常包含了温度场、相变过程、流动场等因素。
热型连铸的凝固模型常常采用二相流动模型，将液相和固相作为两个不可混合的相进行计算。
接着，研究人员需要设置合适的边界条件和初始条件，以保证模拟的准确性和可靠性。
在模拟计算中，研究人员常常使用有限元或有限差分等数值方法，将凝固模型中的方程进行离散化，进而求解数值逼近解。
通过数值模拟计算，可以得到凝固过程中温度梯度、相变速率以及组织演变规律等信息。
这些信息对于工艺优化和材料性能的改善起到了重要的指导作用。
为了更好地验证数值模拟结果的准确性，研究人员通常会进行实验验证。
实验验证常常包括金属样品的制备、显微组织的观察和性能测试等步骤。
通过与实验结果的对比，可以验证数值模拟的准确性，并进一步改进模型和计算方法。
通过热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟，研究人员可以更好地理解材料凝固过程中组织形成的机制，为优化工艺参数和改善材料性能提供科学依据。
铝合金轮圈压铸充型凝固过程模拟分析
３ 充型 及 凝 固计 算 过 程
铝 合金 Ａ ５ ３６的物理 特性及 压铸 工艺 参数 如表 １ 示 ．根据 表 中数 据 对压 Hale Waihona Puke 过程 进 行模 拟 ，通 过 所
对铸件 充型及 凝 固模 拟结果 的分 析 ，可 以得 到合 金液 在充 型过程 中的液态 流 向 ，据 此可对 比分 析 出不
［ 参考 文 献 ］
Ｄ １ Ａ Ｊ． ０ ０ ３ （ ） ７ ９７０ ［ ］ 夏 建 生 ， 窦 沙 沙 ．Ａ Ｃ ２铝 合 金 汽 车缸 盖 罩 压 铸 件 浇 口 Ｃ Ｅ分 析 ［ ］ 压 力 铸 造 ，２ １ ， ０ ８ ： ２ －３ ． １
Ｊ ．特 种铸 造及 有 色合金 ［ ］ 李昭，张立强 ，朱必武 ，等．基 于数值仿 真 的铝合 金 大 型薄 壁件 的 浇注 系统设 计 ［ ］ ２
图 ４ 双 流 道 充 型过 程模 拟 结 果
Ｆ ｇ ４ Ｓｉ ｌｔ ｄ ｒ ｓ ｌ ｏ ｏ ｂ ｅ ｉ ． ｍｕ ａ ｅ ｅ ｕｔ ｆ ｕ ｌ ｄ
Ｖａ ｅ ｄ ｒ ｇ ｆ ｌ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｎ ｕ ｉ ｉｉ ｒ ｃ ｓ ｎ ｌｎ
①
陈 立 亮 ，刘 瑞 祥 ． 华 铸 Ｃ Ｅ使 用 手 册 ． 武 汉 ：华 中 科 技 大 学 华铸 软件 中 心 ，２ ０ Ａ ０８
注： 负号 表 示 反 方 向
４ 数值 模 拟 结 果及 分 析
图３ 、图 ４分别 为单 流道 和双 流道充 型过 程模 拟示 意 图 ，对 比模 拟结 果 可 以看 出 ：在 单 流道 充型
过程 中，铝液未 充满 流道 就 已溢 出浇 口 ，容易 在流 道侧壁 形成 夹气 ，在 充型过 程 中残 留于铸件 内部形 成气孔 ，同时铝 液充 填过 程 中出现 未填充 满现 象 ，在后续 的充 型 中也可 能夹 杂气 体 ，铝液 易飞溅 ，流 态不平 稳 ，易 出现卷气 现 象 ；而在 双流道 充型过 程 中 ，铝 液充 满流道 再从 浇 口溢 出 ，充 型 过程 中流态 平稳 ，直至 铝液 充满 整个 铸件 型腔 而流人 溢流槽 ．从 整个 充型 过程看 ，双流道 相 比单 流道充 型过 程 中
薄板坯连铸凝固过程数值模拟
薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术及应用薄板坯连铸凝固过程数值模拟一直是冶金领域中研究的重点，旨
在提高铸坯的质量和生产效率。
本文将从计算方法、模型建立、参数
选择等方面详细介绍薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术及应用。
计算方法：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟可采用有限元方法、
有限体积法、边界元法等多种计算方法。
其中有限元法是应用最广泛
的方法，其主要思想是把物体离散成有限数量的单元，在每个单元内
建立数学模型，通过有限元之间的连接关系来模拟整个物体的动态、
力学及热力学性质。
模型构建：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟需要建立复杂的数学
模型，主要包括物理模型、数学模型和计算模型等。
其中物理模型描
述了物质在实际生产过程中的变化规律，数学模型则是对物理模型的
抽象和简化，计算模型则是运用计算机对数学模型进行求解得到数值解。
在模型构建中，还需要考虑铸坯形变、物质流动、热传导等多种
机理。
参数选择：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟需要选择合适的参数
才能得到适合实际工艺的模拟结果。
参数选择中涉及到温度梯度、结
晶生长速度、界面热阻等多个因素的综合考虑。
应用场景：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术已广泛应用于钢铁、铝合金等行业的生产过程中，有效提高了铸坯的质量和生产效率。
同时，数值模拟技术也成为创新的生产手段，为钢铁、铝合金等行业的技术升级和发展带来积极的推动作用。
薄板坯连铸凝固过程数值模拟
薄板坯连铸凝固过程数值模拟连铸技术是钢铁工业中最重要的生产工艺之一。
薄板坯连铸是其中一种重要的连铸工艺。
在薄板坯连铸过程中，钢液经过水冷铜模具，在模具内凝固成为一块薄板坯，成为下一步轧制的原材料。
准确的数值模拟可以帮助优化生产工艺，提高产品质量。
薄板坯连铸凝固过程的数值模拟主要包括两个方面，一是数值模拟的方法和原理，二是模拟的结果和应用。
数值模拟的方法和原理主要包括数学模型、计算方法和边界条件。
数学模型是指将连铸过程中的物理过程转化为数学表达式，通常包括质量守恒、动量守恒、能量守恒以及物质相变方程等。
计算方法是指将数学模型转化为计算机可以计算的算法，常见的方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法等。
边界条件是指模拟过程中需要考虑的约束条件，如温度、流速、壁面热通量等。
这些约束条件对模拟结果具有重要影响。
模拟的结果和应用主要包括凝固形态、温度场分布、应力分布等。
凝固形态是指钢液在模具内凝固的形态，包括结晶器壳层、过渡层、液相区等。
温度场分布是指钢液在凝固过程中的温度变化情况，包括初始温度、凝固过程中的温度变化以及完成凝固后的温度分布。
应力分布是指凝固过程中产生的应力分布情况，包括结晶器壳层的应力、板坯中心的应力等。
这些结果可以帮助生产工艺优化和产品质量控制。
数值模拟在薄板坯连铸中的应用越来越广泛。
通过数值模拟，可以帮助优化结晶器的设计、改进冷却水流量、调整钢液流速等，从而提高产品质量和生产效率。
同时，数值模拟可以预测板坯内部缺陷、预测板坯形变等，提前发现问题，减少生产事故和损失。
薄板坯连铸凝固过程的数值模拟是一项复杂的工作，需要考虑多个因素的影响，但是它可以帮助钢铁企业优化生产工艺，提高产品质量和生产效率。
随着计算机技术的不断发展，数值模拟在钢铁行业的应用将会越来越广泛。
铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究
Ｃ ａ ｓ ｔ Ａｌ ｌ ｏ ｙ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ
Ｔ ｕ Ｗｕ ｔ ａ ｏ，Ｓ ｈ ｅ ｎ Ｈｏ ｕ ｆ ａ，Ｌｉ ｕ Ｂａ ｉ ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｍａ ｅ ｒ ｏ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｏ ｃ ｃ ｕ ｒ ｓ ｄ ｕ ｉｎ ｒ ｇ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉｃ ｆ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｌ ｙ ｄ ｅ ｔ ｅ ｉ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｒ ｖ ｉ ｃ ｅ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ．Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ，ｂ ｙ ｍｅ ａ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ ｍａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｒｅ ｇ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ５ ３ ｔ ａ ｎ ｄ ５ ０ ０ ｔ ｉ ｎ ｇ ｏ ｔ ｓ ．Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉｎ ｒ ｋ ａ ｇ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｑ ｕ ｉ ａ ｘ ｉ ａ ｌ ｃ ｒ ｙ ｓ ｔ ａ ｌ ｓ ｅ ｔ － ｄｅ ｍｅ ｎ ｔ ｒｅ ａ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｉ ｓ ｗｅ ｌ ｌ ｃ ｏ ｎ ｓ ｉ ｓ ｔ ｅ ｎ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｃ ａ ｓ ｔ ห้องสมุดไป่ตู้ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｉ ｉ ｆ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ；ｍａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｒｅ ｇ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟研究分析.
铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟研究分析1 铸件凝固过程数值模拟的意义及概况自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用，如凝固过程温度场、热应力场的数值模拟，充型过程流速场的数值模拟；组织形态及力学性能的数值模拟等。
通过这些单1或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。
如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等，都把数值模拟软件作为1种日常工具来使用。
近10年来，涌现出了许多优秀的铸造过程数值模拟软件，如美国的ProCast、德国的MAGMASoft、芬兰的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法国的SIMULOR软件等。
从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织。
国内在经历了10多年的基础研究和发展后，也出现了一些技术水平接近国外商品化的应用软件，可以进行铸钢、铸铁件砂型铸造时的三维温度场模拟及收缩缺陷的预测，以及对铸钢、铝合金件的热应力场进行模拟。
总的来说，国外软件的通用性强，能进行铸造全过程的数值模拟，并具有较强的后置处理功能及友好的用户界面。
建模方便，易于模型设计和修改，便于用户掌握和使用。
其计算精度与运算速度等方面也能满足需要。
正因为如此，国外模拟软件已经成为实际生产中的有力工具.国内不少用户趋向于采用大型通用工程软件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等进行模拟计算。
2 数值模拟的基础性研究2.1 铸件凝固过程温度场数值模拟经过几十年的发展，铸件凝固过程温度场数值模拟技术已日臻成熟。
铸件凝固过程数值模拟的新进展
在处理奥氏体生长过程时
,Fras[ 4 ]等人采用了不
同于
Goettsch和
Dantzig的作法
,Fras等人认为奥氏
体枝晶的生长贯穿整个凝固过程
,并分别采用
:
xE = 1 -exp (-xe) (5)
xD = 1 -exp (-xd)= 1 -exp (-fix) (6)
μeΔTe
将共晶团内片层间距与晶粒半径相联系的模拟研究。
式
(9)中
,ε是共晶团的片层系数
;ΔTe是共晶生长的
—35 —
. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
以模拟铸件凝固过程中温度场变化规律为基础
内容的数值模拟
,如今已被许多学者称之为铸件凝固
过程的宏观模拟
(Macro2Modelling) [1～4]。铸件凝固
过程的宏观模拟经
30多年的不断发展
,目前已是成
熟技术
,它可以预测与铸件温度场直接相关的铸件的
宏观缺陷
,如
,有学者
[7、8 ]提出
:球墨铸铁凝固
的传统理论可能是不正确的。
在铸件凝固过程微观模拟的早期研究中
,研究者
们皆采用了完全形成共晶组织的合金或完全形成枝
晶组织的合金
,并且都是针对形状简单的小试样
(Biot数
< 0. 1)进行模拟研究的。显然
,这与实际铸
件的情况有很大差异
Rappaz对定向凝固的灰
中国古代青铜器凝固过程的数值模拟及其相关工艺问题
青铜器铸造过程中的缺陷预防与控制
防止金属氧化
在熔炼和注入过程中，防 止金属氧化，以减少铸造 缺陷。
控制注入压力
在注入过程中，控制压力 ，以防止模具填充不均或 产生气孔等缺陷。
及时处理异常情况
在铸造过程中，及时处理 异常情况，如模具破裂、 金属溢出等，以减少铸造 缺陷的产生。
06
结论与展望
研究结论与贡献
VS
温度场分布的影响
温度场分布的不均匀性会导致青铜器内部 产生热应力，进而影响其力学性能和显微 组织结构。在某些情况下，不均匀的温度 场分布还可能导致青铜器产生裂纹或变形 等缺陷。因此，为了提高青铜器的质量和 性能，需要对其凝固过程中的温度场分布 进行精确控制。
青铜器凝固过程中的热力学参数变化
热力学参数的测量
感谢您的观看
THANKS
结论
通过对中国古代青铜器凝固过程的数值模 拟，研究得出了青铜器在凝固过程中的温 度场、应力场、微观组织演化等规律，揭 示了青铜器铸造过程中的关键工艺参数对 凝固组织的影响机制。
贡献
本研究为深入理解中国古代青铜器制造工 艺提供了理论支持，同时为优化青铜器制 造过程、提高铸造质量提供了重要的指导 。
研究不足与展望
03
收敛性和稳定性分析
在进行数值模拟时，需要确保计算过 程的收敛性和稳定性。通过对计算过 程进行监控和分析，可以确保模拟结 果的准确性和可靠性。
04
中国古代青铜器凝固过程 的数值模拟结果
青铜器凝固过程的温度场分布
温度场分布特征
通过对青铜器凝固过程的数值模拟，可以 得出其温度场分布。在凝固开始时，青铜 器表面和内部的温度分布较为均匀。随着 凝固的进行，温度场分布逐渐变得不均匀 ，表面温度逐渐降低，而内部温度则逐渐 升高。这种温度场分布的变化与青铜器的 形状、大小以及所处的环境条件有关。
铸造凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟时间:2007-4-11 9:03:441.1 概述在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。
凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程数值模拟可以实现下述目的：1）预知凝固时间以便预测生产率。
2）预知开箱时间。
3）预测缩孔和缩松。
4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。
5）控制凝固条件。
6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。
铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSU ND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。
之后美国HEN ZEL和KE UERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。
这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。
于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。
1.2 数学模型的建立和程序设计液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。
在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。
从传热方式看，这一散热过程是按导热、对流及辐射三种方式综合进行的。
显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。
当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。
因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。
但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。
基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。
连铸凝固传热过程的数值模拟
收稿日期:2001201215; 修订日期:2004203214作者简介:李东辉(19682 ),女,辽宁沈阳人,讲师,博士.研究方向:连铸过程机控制系统.Em ail :annie6821@连铸凝固传热过程的数值模拟李东辉1,2,邱以清1,刘相华1,王国栋1(1.东北大学轧制技术与连轧自动化国家重点实验室,辽宁沈阳110004;2.沈阳工业学院,辽宁沈阳110045)摘要:研究和开发了连铸凝固传热过程数值模拟程序,并以生产厂的铸坯为研究对象,计算了铸坯断面温度分布和凝固壳厚度,该模型考虑了结晶器表面散热的不均匀性,处理了凝固时相变所产生的结晶潜热,将计算出的断面温度、坯壳厚度等数据与生产实验测得的数据相比较,吻合性很好。
他可用来优化连铸工艺参数,是进一步开发在线控制模型的基础。
关键词:连铸;数值模拟;热传输;数学模型中图分类号:TG249.7 文献标识码:A 文章编号:100028365(2004)0720529202Numerical Simulation of Continuous C asting during Solidif ication and H eart 2transferring ProcessL I Dong 2hui 1,2,Q IU Y i 2qing 1,L IU Xiang 2hua 1,WAN G Guo 2dong 1(1.The State K ey Laboratory of Rolling and Automation of Northeastern University ,Shenyang 110004,China ;2.Shenyang Institute of Technology ,Shenyang 110045,China )Abstract :A solidification and heat transferring process of continuous casting has researched and developed.It is applied to calculate the temperature distribution and solid shell thickness in a steel plant.Uneven elimination of heat in the mould surface is considered.The model includes variable thermal constant and freezing latent heat generated by phase changes during solidification.The thermal profile and solid shell thickness calculated by mathematical model agree with those get by experimental measurements.The model could also be used to predict the optimum process parameters in continuous casting ,and it could be a base of the development of on 2line control models.K ey w ords :Continuous casting ;Numerical simulation ;Heat 2transferring process ;Mathematical model 连铸过程中铸坯的温度分布对于产品品质、产量是非常重要的,铸坯各种缺陷的形成,通常与不合理的温度分布有关。
半固态铝合金压铸充型凝固过程数值模拟研究
··目前，铝合金采用传统压铸容易产生缩孔、夹杂等缺陷，且成形温度高，充型不平稳，大大降低了产品质量与模具寿命。
随着半固态成形技术和理论的不断成熟与发展，为铝合金压铸成形提供了新的途径。
与液态金属相比，半固态金属的温度处于固液相之间，在充型过程中，呈层流状态，减轻了金属的氧化、裹气和凝固收缩，提高了铸件的致密性和力学性能。
半固态金属充型过程的描述及充型工艺条件比较复杂，采用数值模拟技术可以对充型凝固过程进行动态显示，还可以预测铸件的缩孔缩松等缺陷的位置及严重程度，这对提高铸件质量、缩短生产周期、降低生产成本、指导工程技术人员采取合理措施优化工艺设计具有重要的意义[1-2]。
基于牛顿流体流变成形过程的数值模拟已经非常成熟[3-5]，但对于铝合金流变压铸成形的数值模拟研究工作报道较少[6-7]。
因此，本文针对某厂转向泵支架，采用商用铸造模拟软件，对传统压铸条件下和半固态流变压铸条件下铝合金的充型过程和铸件内部凝固分数进行了模拟和对比分析，并对可能出现的铸造缺陷进行预测，为铝合金流变压铸成形工艺提供了参考依据。
1基本假设与模拟计算基本方程1.1基本假设根据半固态铝合金的流变特性，半固态触变成形过程数值模拟的一般假设为[8]：（1）半固态流体为连续且不可压缩的金属流体，其流动特性由表观粘度来表征；（2）半固态浆料为均匀单相介质；（3）半固态坯料为等温介质，其成形过程中的传热可以被忽略；（4）半固态浆料在充填过程中的流动为单相等温层流流动。
------------------计算机应用胡志1，明北方1，闫洪1，周国华1，2（1.南昌大学先进成形研究所，江西南昌330031；2.宜春学院物理科学与工程技术学院，江西宜春336000）摘要：采用有限元数值分析软件对铝合金转向泵支架的牛顿流体和半固态流体压铸成形过程以及凝固分数变化过程进行数值模拟与分析，基于模拟结果和新山判据，对可能出现的铸造缺陷进行预测。
铸件凝固过程数值模拟
铸件凝固过程数值模拟1．铸件凝固过程数值模拟作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。
温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。
考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。
所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。
自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。
在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。
继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。
其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。
我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色。
1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。
基于有限元的模拟挤压铸造凝固过程数学模型分析
基于有限元的模拟挤压铸造凝固过程数学模型分析1.引言挤压铸造是一种重要的金属加工工艺，通过在金属液体受到一定的挤压后凝固成型，可以得到具有一定几何形状和性能要求的零件。
在挤压铸造过程中，金属液体的凝固过程会受到多种因素的影响，如温度场、应力场以及固相的凝固行为等。
建立准确的数学模型对挤压铸造过程进行分析和模拟具有重要意义。
有限元方法是一种常用的数值计算方法，可以用于求解复杂的物理问题，包括金属凝固过程的数学模型。
本文将针对挤压铸造凝固过程，利用有限元方法进行数学模型的建立和分析，对挤压铸造过程中的凝固行为进行深入研究。
2.挤压铸造凝固过程数学模型挤压铸造凝固过程可以用热传导方程和固态相变方程进行描述。
在进行数学建模时，需要考虑金属液体在凝固过程中温度场和应力场的变化，并结合相变过程对凝固过程进行描述。
下面是对挤压铸造凝固过程进行数学建模的步骤：2.1 热传导方程考虑挤压铸造过程中金属材料的热传导行为，可以得到热传导方程如下：\[ \frac{\partial \rho C_p}{\partial t} = \nabla \cdot (k \nabla T) \]\( \rho \) 为金属的密度，\( C_p \) 为比热容，\( k \) 为热导率，\( T \) 为温度场。
通过以上两个方程的描述，可以得到挤压铸造过程中金属液体的凝固过程的数学模型，联立热传导方程和固态相变方程可以得到完整的挤压铸造凝固过程数学模型。
3.有限元模拟利用有限元方法可以求解挤压铸造凝固过程的数学模型。
有限元方法是一种离散化的数值计算方法，可以将连续的物理系统离散化为有限数量的单元，通过单元之间的相互作用求解整个系统的行为。
有限元方法的求解步骤如下：（1）网格划分：将挤压铸造过程的几何体划分为多个单元，并在每个单元内进行数学模型的离散表示；（2）弱形式表述：将原始的数学模型转化为弱形式，引入试验函数，将原方程进行加权平均；（3）求解方程：根据单元的离散化表示和弱形式转化，通过有限元方法求解挤压铸造凝固过程的数学模型；（4）后处理分析：对求解得到的结果进行后处理分析，得到挤压铸造凝固过程中温度场和应力场的分布情况。
单晶叶片定向凝固过程的数值模拟研究
摘 要院 高温合金涡轮叶片的缘板部分存在横截面的突然扩展袁 造成定向凝固过程中极易产生杂晶缺陷遥 本文以自主研
发的 M4706DS 合金作为研究材料袁 采用 Bridgman 定向凝固技术制备某单晶叶片袁 并通过 Procast 数值模拟软件分析定向凝
固过程中叶片缘板处温度场的分布及过冷区域的形成袁 预测叶片缘板产生杂晶的可能性袁 模拟结果显示通过降低缘板部分
Wang Haiyang袁 Zhang Qiongyuan袁 Li Linxu袁 Ma Dexin袁 Yang Zhaohong袁 Zeng Hong
渊State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials, Dongfang Turine Co., Ltd., Deyang Sichuan, 618000冤
第3期 2019 年 9 月 DOI:10.13808/ki.issn1674-9987.2019.03.011
DONGFANG TURBINE
No.3 Sep.2019
单晶叶片定向凝固过程的数值模拟研究
பைடு நூலகம்
王海洋袁 张琼元袁 李林蓄袁 马德新袁 杨照宏袁 曾洪
(东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室袁 四川 德阳袁 618000 )
的抽拉速率袁 可以有效地降低缘板处过冷度袁 从而减少杂晶形成袁 这与定向凝固实验结果吻合良好遥
关键词院 数值模拟袁 单晶叶片袁 杂晶袁 定向凝固
中图分类号院 TG244
文献标识码院 A
文章编号院 1674-9987渊2019冤03-0047-03
Numerical Simulation on Directional Solidification Process of Single Crystal Blade
铸钢件凝固过程三维位移场数值模拟研究
式 中 “， — — 位 移分量 ； ，
．
３， — — 坐标 分 量 ； ２ ， ｘ． —— 体 力分 量 ｙ，
１２ 计 算形 函数 ． 用 有限元 法求 解 位移场 的过 程 中分析 应变 与位 移 的关 系时必然 涉 及形 函数计 算 。
场的过程 中， 分析位移场是 １ 个很重要 的环节 ． 本文内 容即为铸件凝固过程三维位移场数值模拟研究。
（ １华 北工学 院 ， 山西 太 原 ０ ０ ５ ； 西北 工业 大学 ， 西 西安 ７ ０７ ） ３０ １ ２ 陕 １０ ２
摘要 ： 在开发 铸钢件凝 固过程三 维位 移场数值摸 拟有限元 程序 时， 准 固态 区阃用 粘弹 塑性 模型 ， 对 固相 线以 下用弹 塑性模 型 的本构 关 系； 甩初应 变法计算温度栽荷 ； 用增量 变刚度法求 解位移 场 对 实际铸 钢件 凝 固过程的 位移场进 行计算 ， 拟结果 模 与 理论 分析一 致， 本研 究工作是进 一步模拟 分析应力场和进行热裂预测的基础 。
ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｅ ｖｌａ ｄ ｔ ｅｅａｔ — ｌｓｉ ｍ ｏ ｅ ｉ ｐ ｌ ｄ ｉ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｏｉ ｈ ｅ ｅ ｅａ ｕｅｉ ｔｒａ ｎ ｈ ｌ ｉ ｐａ ｔ ｄ ｌ ｓａ ｐｉ ｎ ｔ ｅｒｇｏ ｆｓ ｌ ｐ ａ ；Ｔｈ ｉ ａ ｔａｎ ｍ ｅｈ ｓ ｓ ｃ ｃ ｅ ｄ ｓ ｅ ｉ ｔ ｌｓｒ ｉ ｔｏ ｉ ｎ ｉ ｄ ｕ ｅ ｏ ｃ ｃ ｌｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｔｒ ｏ ｄ； ｔ ｎ ｎ ｗｎ ｄｓ ｌｃ ｍｅ ｔ ｉ ｓｂｅ ｙ ａ ｐｙｎ ｈ ｎ ｒｍｅ ｔｓｉ ｎ ｓ ｓｄ ｔ ａ ｕａｅ ｔ ｅ ｔｍｐ ａ ｕ ｅ ｌａ ｌ ｅ ｈ ｕ ｋ ｏ ｉ ａ ｅ ｎ ｓ ｏ ，ｄ ｂ ｐ ｌｉｇ ｔ ｅ ｉ ｃｅ ｎ —ｔ ｅｓ ｐ ｆ ｃ ａ ｇ ａ ｌ ｍｅｈ ．Ｓ ｔ ｆｃ ｏｙ ｓｍｕａｉｎ ｒｓ ｌ ａ ｅｂ ｅ ｃ ｉｖ ｄ．Ｔｈｓａ ａｙ ｉ ｉ ａｉ ｏ ｈ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｈ ｎ ｅ ｂｅ － ｔｏ ｄ ａｉ ａ ｔ ｒ ｉ ｌｔ ｅｕ ｔ ｈ ｖ ｅ ｎ ａ ｈｅ ｅ ｓ ｏ ｓ ｉ ｎ ｌｓｓ ｓａｂ ｓ ｆｔ ｓｍｕａｉ ｆ ｓ ｅ ｏ ｓｒｓ ｉｌ ｎ ｒｄｃｉｎ ０ ｏ ｅ ｒ ｇ ｄ ｒｎ ｏｉｉ ｃｔｏ ｆｓｅ ｌ ａ ｔ ｇ ． ｔｅｓｆ ｄａ ｄ ａ ｐｅ ｉｔ ｆｈ ｔｔ ｉ ｕ ｉｇｓ ｌ ｆ ａｉｎＯ ｔｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｏ ａ ｎ ｄｉ ｓ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ Ｓ ｌ ｉ ｃ ｔ ｎｐ ｏ ｅｓ ｙｗｏ ｄ ： ｏｉ ｆ ａ ｉ ｒｃ ｓ ；Ｄｉ ｌｃｍｅ ｔｆ ｌ ｄｉ ｏ ｓ ａ ｅ ｎ ｉ ｄ；Ｎｕ ｅ ｉ Ｉ ｉ ｕａｉｎ Ｃ ｓ ｔｅ ｐ ｅ ｍ ｒｃ ｒ ｌ ｔｏ ； ａ ｔｓｅｌ ａｓ ｅ
液态金属冷却定向凝固数值模拟与试验研究
液态金属冷却定向凝固数值模拟与试验研究
液态金属冷却定向凝固是一种通过冷却过程控制金属凝固形态和晶粒取向的方法。
数值模拟与试验研究对于理解凝固过程中的热传导、流体动力学和固相变化等关键过程具有重要意义。
液态金属冷却定向凝固的数值模拟可以通过计算流体动力学方程、热传导方程和相变方程等来模拟金属凝固过程。
这样的模拟可以预测凝固过程中温度场、流场和组织形貌等关键参数，为优化凝固过程提供指导。
试验研究是对液态金属冷却定向凝固过程进行实际操作和观测的方法。
试验可以通过控制冷却速度、定向条件和金属组成等来研究凝固过程中的变化规律。
试验可以通过金相分析、扫描电镜观察和力学性能测试等方法来获取凝固材料的微观结构和性能信息。
数值模拟与试验研究在液态金属冷却定向凝固中有着相辅相成的作用。
数值模拟可以通过建立适当的模型和边界条件来模拟复杂的凝固过程，并且可以根据实验结果对模型进行验证和修正。
试验研究可以通过实际操作来验证数值模拟的结果，并且可以提供更详细的实验数据来改进模型的精度和可靠性。
通过数值模拟与试验研究，可以深入了解液态金属冷却定向凝固过程中的物理机制和影响因素，为优化凝固工艺、改善材料性能和开发新材料提供理论和实验依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
• 主 讲 人 ：贺腾博 • 小组成员：黄萍、徐晓欢、贺腾博、韩丽
梅、刘靓
铸件凝固过程
图1：斧锤型铸件
图2：新山英铺的模拟结果
铸件凝固过程数值模拟的任务
数学模型
数值求解
缺陷位置
凝固规律
铸 件 凝 固 过 程 数 值 模 拟 流 程 图
2020/10/11
铸件的凝固过程基本上可以认为是一个不稳定的 导热过程
热流密度矢量 q gradt
t t-Δt
t+Δt
温 度场
• 温度场模拟是预测缩孔缩松形成，微观组织形 成以及热烈变形等的基础；
• 温度场计算的正确性取决于初始条件，边界条 件，热物性参数，合理的潜热处理等方法。
控制方程
凝固导热过程中，温度、时间和空间的关系可用傅里叶导热 方程描述即：
左边第二项是枝晶间液体流动的热对流，由于潜热释放、两 相区温度梯度及液相率比较小，可忽略不计，式可修改为:
压铸模具瞬态层示意图
分区计算的作用就是可以大大提高凝固模拟的计算效率
2020/10/11
分区域计算的实现
分区计算的核心内容： 是实现不同的区域采用不同的网格尺寸和不同的时间
步长进行模拟计算。 必须解决问题： （1）铸型瞬态区域厚度的计算 （2）非均匀网格 （3）内部计算区域的标识 （4）不同区域采用不同时间步长
多热节判断
多热节的判 断就是判断 出补缩通道 的情况，从 而确定出热 节的收缩量 和缩孔位置
2020/10/11
收缩量的计算
每个孤立热节内所有单元在第m时间步长内的体 积收缩量的计算如下：
2020/10/11
补缩单元
当单元的固相率 高于一个临界值 fsc时，就不再具 有流动能力，因 此也就不再具有 补缩能力
2020/10/11
铸件缩孔和缩松的形成原因
• 1、铸件结构方面的原因 • 2、熔炼方面的原因 • 3、工艺设计的原因
缩孔的预测
缩孔预测中主要是预测出缩孔的形状、位置大小以及所在的 位置 要解决的主要问题：
1.如何计算收缩量？ 2.如何进行补缩通道的判断？ 3.哪些单元可以进行补缩？
2020/10/11
• 导热分析的研究归结为研究：温度随空间、 时间的变化，在直角坐标系中，也就是求 解方程:
T=f（x,y,z,t）
上述方程称为温度场的数学描述。
温度场
温度场 T = f (x, y, z,t) 等温面与等温线
t+Δt t t-Δt
等温线疏密程度的物理意义
温度梯度
gradt
Lim
t
r n
t
r nn0 n n20来自0/10/11初始条件：
冲型完毕时金属液和型腔的温度场即是凝固开始的温度场
边界条件：
边界条件是指铸件——铸型交界面或不同种类造型材料之间的 交接面。
界面热流率为：
如果界面换热系数为h,则界面两侧相邻节点之间的等效换热系 数为：
2020/10/11
铸件凝固模拟计算区域优化
分区计算的基本思想源于压铸过程的数值模拟研究中Barone和 Caulk提出的“瞬态层”的概念
（1）铸件色温 （2）温度梯度 （3）铸型色温 （4）凝固液相 （5）凝固次序
2020/10/11
2020/10/11
补缩单元
2020/10/11
(a)未考虑孤立熔池热节 （b）考虑孤立热节
温度场模拟软件CAE
模拟的主要步骤：
（1）工艺三维建型 （2）新建工程 （3）前处理网格划分 （4）参数设定与技术分析 （5）后处理数据可视化
2020/10/11
后处理数据可视化
凝固过程的后处理主要包含：