凝固过程数值模拟剖析

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:
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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？
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• 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 n
n0 n n
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
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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：
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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
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
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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
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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：
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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
铸件凝固过程数值模拟
• 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
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铸件的Байду номын сангаас固过程基本上可以认为是一个不稳定的 导热过程
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补缩单元
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(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
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后处理数据可视化
凝固过程的后处理主要包含：
（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
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