凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟-简介1.铸造凝固过程数值模拟1.1 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。
4铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND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HENZEL和KEUERIAN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。
温度场的数值模拟在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。
英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。
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。
基于ANSYS的铸件充型凝固过程数值模拟的开题报告
基于ANSYS的铸件充型凝固过程数值模拟的开题报告1. 研究背景铸造是一种重要的制造工艺，广泛应用于工业生产中。
铸造的过程中，充型凝固是其中最基本的环节之一，其质量直接影响着铸件的成型和性能。
传统的充型凝固过程试验需要大量人力、物力和财力投入，成本较高，同时也难以控制实验条件，因此利用数值模拟方法对铸造过程进行分析与预测就显得格外重要。
ANSYS是一种应用广泛的数值分析软件，它可以应用于多个领域的工程仿真，包括铸造领域。
基于ANSYS的铸造充型凝固过程数值模拟可以较为精确地模拟铸造工艺，对铸件质量控制有着重要的作用。
因此，本文拟研究基于ANSYS的铸造充型凝固过程数值模拟方法。
2. 研究内容本文主要研究基于ANSYS的铸造充型凝固过程数值模拟方法。
研究的具体内容包括：（1）建立充型凝固数值模型：通过ANSYS建立铸造模型，并在模型中考虑充型、凝固和冷却等因素，确定模型的边界条件。
（2）数值模拟求解：利用ANSYS的求解功能，对模型进行数值模拟，获得充型凝固过程的温度和流动场分布等参数。
（3）结果分析：对数值模拟结果进行分析，评估充型凝固过程的质量，提出改进方案并进行优化。
3. 预期成果本研究的预期成果主要包括：（1）建立基于ANSYS的铸造充型凝固数值模型，实现对铸造过程的数值模拟。
（2）通过数值模拟获得铸造过程中的温度和流动场分布等参数，并对其进行分析。
（3）评估充型凝固过程的质量，提出改进方案并进行优化。
4. 研究意义本研究的意义主要体现在以下几个方面：（1）通过数值模拟方法获得铸造过程中的温度和流动场等参数，可以更准确地评估充型凝固过程的质量。
（2）实现基于ANSYS的铸造充型凝固数值模拟，可以在一定程度上避免传统充型凝固实验的高成本和实验条件不易控制的问题。
（3）本研究的方法可以为铸造行业提供参考，为铸造过程的质量控制提供技术支持。
5. 研究进程安排本研究的进程安排如下：（1）前期准备阶段：熟悉铸造充型凝固过程数值模拟理论，了解ANSYS软件的使用方法，确定研究方向。
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。
凝固过程数值模拟---单值性条件
班级：成型0902姓名：郭海龙学号：**********
一．凝固过程数值模拟的单值性条件的主要内容
1.几何条件（物体的几何形状与尺度）
如：平壁或圆筒壁；厚度、直径等
2.物理条件（材料的热物性，包括他们是否随温度而变化以及是否均匀等条件）
如：物性参数、c和的数值，是否随温度变化；有无内热源、大小和分布；是否各向同性
试凑法。该法是在测量了钢锭和钢锭模内部几点温度后，通过控制│ - │<ε（ε为人为规定的误差），来求解界面热阻 (h=1/ 。 如果 和 分别为钢锭模内距界面10mm处的计算和测量温度值。也就是说，设在一定的时间间隔内 是某一常数，将不同的 分别代入计算方程，直到满足│ - │<ε为止，然后再转入下一个时间间隔的计算。这种方法可求出h-τ曲线，但在钢锭模内距界面10mm处的计算温度虽然较准确，而在其它点的计算温度误差较大。
3.初始条件-时间条件（为所研究的系统过程在开始所求物理量的分布值）
说明在时间上导热过程进行的特点；稳态导热过程不需要时间条件，与时间无关；对非稳态导热过程应给出过程开始时刻导热体内的温度分布
=（x,y,z,0)
4.边界条件（所求系统在不同介质之间边界上的热交换条件，不同边界类型，不同热交换现象）
说明导热体边界上过程进行的特点；反映过程与周围环境相互作用的条件
其中，L是节点中心距。
实际上，铸件-铸型界面属于非理想接触，因为铸件在铸型内冷却凝固时，它的体积要逐渐收缩，而铸型受热要铸件膨胀。此时，在铸件-铸型之间就形成了一层很薄的气体层，这一气体层和铸型内表面上的涂料层合在一起称为气隙。由于空隙的存在，在铸件-铸型之间就要产生界面温度差 。除铸件包围泥芯凝固的情况外，在大多数铸件几何体中都会发生界面温度差这种情况。
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。
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
fluent凝固过程模拟
fluent凝固过程模拟Fluent凝固过程模拟是通过ANSYS Fluent软件来模拟凝固过程的数值模拟方法。
数值模拟方法通过建立数学模型和计算方法，对实际的自然界中的流体流动和传热传质等物理现象进行定量描述和预测，从而实现巨大规模和复杂性的工程系统的分析和设计。
在凝固过程中，液体从高温态到低温态的过程中会发生相变，将液体转变为固体。
对于金属、陶瓷等材料的凝固过程，Fluent可以提供精确的描述和预测。
而对于复杂的非晶态材料，Fluent的凝固模拟同样可以提供有用的信息，以改进材料制备过程和优化材料性能。
Fluent凝固过程模拟的基本原理是基于多相流动和传热传质理论。
通过数学模型和相应的计算方法，可以描述液态金属在凝固过程中的流动规律和温度场分布。
具体而言，可以采用用于描述流动的Navier-Stokes方程和用于描述传热传质的能量方程和质量守恒方程。
在Fluent的凝固模拟中，需要定义几个关键的物理和数值参数。
首先，需要定义材料的物性参数，如热导率、密度和比热等。
这些参数将影响凝固过程中的能量传递过程。
其次，需要定义边界条件，如入口温度、入口速度和壁面热通量等。
这些边界条件将影响材料的凝固速度和凝固结构。
Fluent的凝固模拟可以提供流动场、温度场、凝固率、凝固结构等信息。
通过对这些信息的分析和比较，可以优化凝固过程的设计和操作策略。
例如，可以控制壁面热通量的分布，以改变凝固结构的均匀性。
此外，还可以通过调整流动条件，如入口速度和剪切力，来控制凝固速度和凝固结构。
Fluent的凝固模拟应用广泛，包括金属制造、陶瓷制造、半导体制造等领域。
在金属制造中，可以通过模拟铸造过程来改进铸件的凝固结构，提高力学性能和耐腐蚀性。
在陶瓷制造中，可以通过模拟烧结过程来优化陶瓷材料的致密性和晶粒尺寸分布。
在半导体制造中，可以通过模拟晶体生长过程来优化晶体的质量和晶界特性。
综上所述，Fluent凝固过程模拟是一种利用ANSYS Fluent软件对凝固过程进行数值模拟的方法。
凝固过程数值模拟铸造CAE软件在船用铸钢件上的应用
型与凝固过程数值模拟铸造CAE软件在船用铸钢件上的应用1 前言铸件的生产过程有许多不可知因素，特别是充型与凝固过程，这些因素使得缺陷的形成原因和部位无法确定，因此也就只能凭经验采取预防措施。
随着科学技术的发展，计算机技木在铸件生产上的应用，使许多不可知因素可以用计算机进行温度场的数值模似而变为可知。
然而如果仅应用能量守恒方程进行铸件凝固过程的数值模拟，而忽略充型过程中的传热，必然会对凝固过程的温度场计算造成误差。
因此铸件温度场的数值模拟，只有在前期充型过程温度场与流动场的耦合模拟基础上进行才更有意义。
我厂是生产船用大马力低速柴油机的专业厂家，对铸件的生产要求很高，面且铸件大部分是单件小批量的中大件，为提高铸件质量减少试制费用，提高铸件出品率，1997年9月就开始用华中理工大学研制的“流动场与温度场耦合模拟及凝固模拟”软件代替原来使用的“纯温度场模拟”软件。
2 软件简介软件在Windows操作坏境下工作，硬件需要586以上的CPU；硬盘＞1G；内存＞16M。
软件包括3个部分：前置处理软件系统（实体造型和网格剖分）；铸钢铸造CAE系统和结果显示系统。
2.1 前置处理软件系统这个系统包括了实体造型和网格剖分，实体造型借用了AutoCAD R12.0 For Windows的实体造型系统AME （ Advanced Modeling Extension ）铸件三维造型完成以后，接下来就是要进行网格单元剖分，生成计算分析所需要的有限差分网格。
利用AutoCAD Rl2.0 for Windows集成开发环境ADS （AutoCAD Develop ment System）提供的1套完整的二次开发函数，研制出的铸件有限差分网格自动剖分模块以应用程序形式，外挂于AutoCAD Rl2．0 fOr Windows之上，使三维造型与网格剖分融为一体，具有人机界面友好、剖分速度快等优点。
2.2 铸钢铸造CAE系统本系统利用网格剖分后生成的文件，经输入基本参数（如初始温度、化学成份、各材料的热物性值、边界条件、“动态松弛因子”、收敛判据等）形成初始文件，然后进行计算，并自动存贮计算文件。
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告
哈尔滨工业大学《材料加工过程数值模拟基础》实验课程铸件充型凝固过程数值模拟实验报告姓名：学号：班级：材料科学与工程学院铸件充型凝固过程数值模拟实验报告实验一：铸件凝固过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。
二、实验原理1．有限差分法温度场模拟的基本思路：设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。
2．有限差分法温度场模拟的数学模型：222222T T T T L C t x y z t三、铸件凝固模拟过程及参数设置1．凝固模拟过程铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。
2．参数设置铸件材质：AC1B铸型材质：SM20C初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。
边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2∙K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2∙K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2∙K)。
四、模拟结果图1 冷却时间由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。
由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。
内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩，则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。
图2 冷却率由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。
由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的产生，合理布置冷却水管的分布位置。
实验二：铸件充型过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法流动场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行流动场模拟的方法。
在凝固过程数值模拟中结晶潜热的常用处理方法
在凝固过程数值模拟中结晶潜热的常用处理方法
在凝固过程数值模拟中，结晶潜热是指凝结过程中液态相转变为固态时所释放或吸收的热量。
常用的处理方法包括：
1. 收集实验数据：通过实验测量得到物质的结晶潜热数据，然后在数值模拟中直接使用这些实验数据。
2. 经验公式：根据不同物质的化学组成和性质，可以使用经验公式来估计结晶潜热。
例如，对于晶型相同的物质，可以使用Gibbs—Thomson公式来计算溶液的结晶潜热。
3. 分子动力学模拟：使用分子动力学模拟方法来模拟凝固过程，通过跟踪、记录分子的位置和速度等信息，可以计算出结晶潜热。
4. 相场方法：相场方法是一种在多相体系中模拟相界面演化的方法。
在凝固过程中，相场方法可以用来描述液-固相界面的
演化，并计算结晶潜热。
这些方法各有优缺点，在具体应用中可以根据模拟对象的特点和需求选择合适的方法。
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。
凝固过程数值模拟
凝固过程数值模拟嘿，朋友们！今天咱来聊聊凝固过程数值模拟这个有意思的事儿。
你说这凝固过程啊，就像是一场奇妙的舞蹈。
各种物质在特定的条件下，从液态慢慢变成固态，就好像舞者们在舞台上变换着姿势。
而数值模拟呢，就是我们观察这场舞蹈的神奇眼睛啦！想象一下，我们如果不通过数值模拟，就像闭着眼睛看舞蹈，那能看到啥呀？啥都看不清，稀里糊涂的。
但有了数值模拟，哇哦，那就完全不一样了！我们可以清楚地看到每一个细节，每一个变化。
比如说，温度是怎么影响凝固的呀，材料的成分又会起啥作用呀。
这数值模拟就像是给我们配了一个超级放大镜，能让我们把那些细微的地方都看得清清楚楚。
它能帮我们提前预测可能出现的问题，哎呀，这不就跟未卜先知似的嘛！比如说，我们能知道哪里可能会出现缺陷，然后提前想办法解决，免得事后再手忙脚乱。
你说这多厉害呀！咱就不用像没头苍蝇一样乱撞啦。
而且哦，通过数值模拟，我们还可以尝试不同的条件和参数，就像玩游戏一样，看看哪种组合能得到最好的结果。
这多有意思呀！就好比做饭，你不先试着模拟一下各种调料的搭配，直接就下锅乱做一通，那能好吃吗？肯定不行呀！但要是有了数值模拟，不就等于有了个菜谱，告诉你啥时候该放啥，放多少，那做出来的菜肯定好吃呀！再想想那些复杂的工业生产，要是没有数值模拟帮忙，那得浪费多少材料和时间呀！有了它，就能少走好多弯路呢。
所以呀，凝固过程数值模拟可真是个宝贝！它让我们对凝固这个神秘的过程不再摸不着头脑，而是能清楚地了解和掌控。
它就像我们的秘密武器，帮助我们在科学和工程的道路上越走越远，越走越好。
咱可得好好珍惜这个好东西，让它为我们发挥更大的作用呀！怎么样，是不是觉得很神奇呢？是不是也对凝固过程数值模拟有了新的认识呢？。
凝固过程数值模拟技术的工艺流程
凝固过程数值模拟技术的工艺流程
一、凝固过程数值模拟技术准备阶段
1.确定模拟对象
（1）确定需要模拟的凝固过程
（2）确认模拟材料和条件
2.收集数据
（1）收集材料热物性数据
（2）获取凝固过程参数
二、建立凝固过程数值模型
1.选择模拟软件
（1）选择适合的数值模拟软件
（2）确保软件支持凝固过程模拟
2.建立数值模型
（1）设定凝固过程边界条件
（2）确定数值计算方法
三、模拟凝固过程
1.运行数值模拟
（1）输入数据并运行模拟程序
（2）监控模拟过程
2.分析模拟结果
（1）分析凝固过程中的温度变化
（2）观察凝固结构形成
四、优化模拟结果
1.调整模型参数
（1）根据模拟结果优化参数
（2）重新运行模拟
2.比对实际数据
（1）与实际凝固过程数据比对
（2）调整模拟模型
五、结果验证与报告
1.验证模拟结果
（1）与实验结果进行对比验证
（2）确认模拟结果准确性
2.撰写模拟报告
（1）汇总模拟过程和结果
（2）提出建议和改进建议
以上是凝固过程数值模拟技术的工艺流程的详细。
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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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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
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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
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
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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铸件的凝固过程基本上可以认为是一个不稳定的 导热过程
t+Δ t
t t-Δ t
热流密度矢量
q gradt
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：
• 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
温度场
T = f (x, y, z,t)
度
场
t+Δt t t-Δt 等温线疏密程度的物理意义
等温面与等温线
t r t r Lim n n 温度梯度 gradt n 0 n n
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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
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补缩单元
(a)未考虑孤立熔池热节 （b）考虑孤立热节
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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
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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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
2015/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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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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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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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：