2009-2010 学年冬季学期(2010 年 3 月) 《计算机在材料科学中的应用 D》(模拟部分)期末小论文
姓 名
姜筠
学 号
06120156
成 绩
1.前言(10 分) 铸造工艺历史悠久,但长期以来只是一种手工工艺经验的积累.近代,铸造 工艺逐渐发展成了一项工程技术,但仍然不能成为一个完整的科学体系.铸造凝 固是铸造工艺的根本技术问题,大部分铸造缺陷均产生于这一过程或与之密切相 关,但又由于该研究问题复杂,难度大,在实际生产中不得不更多的依赖于经验, 液体金属进入型腔之后,流态和温度是如何变化的,凝固是如何进行的,凝固层 内的温度是如何分布的,缺陷是如何产生的,这些对铸造工艺师还带有相当的盲 目性[1]. 随着科学技术的发展,利用计算机可以预先模拟出金属充填型腔时的流动状 态,温度场等,同样也可以模拟出凝固过程,便于分析设计中存在的不足,由此 可能引起的缺陷,及时的进行改善和优化工艺,用较少的人力物力就能生产出缺 陷少,质量高的铸件.使铸造工艺从经验化逐渐转变成定量化. 计算机数值模拟的流程主要包括三部分:前处理,分析执行和后处理.前处 理是根据利用三维软件制作出的零件的结构和形状,建立实体模型.分析执行是 数值模拟的核心部分.通过数值模拟计算法对热平衡方程进行解析.后处理是将 计算结果经分析后通过彩色图像等方式动态的表示出来. 2.解析模型(STL)的建立过程(20 分) 运用 proer Wildfire 5.0 制作解析模型.过程如下: (1) 铸件部分的绘制:用 proe 的实体拉伸功能画出主体两个长方体,再利用去 除实体材料的功能画出中心的通孔.两侧对称的通孔利可以用中心线画出. 最后再利用实体拉伸画出冒口. (2) 浇注系统的绘制:考虑到底部的截面积最大,以及浇注时金属液流动的平 稳,采用底注式浇注系统.利用实体拉伸画出各个浇道. (3) 存储为 STL:保存时,在类型中选择 STL 保存即可. 最终得到的解析模型如图 1 所示
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图 1.设计零件的解析模型 3.金属液充型过程的模拟与结果分析(30 分) 本次实验使用的是日本东北大学著名学者新山英辅和安斋浩一主持研发的中 文版 ADSTEFAN 铸造/压铸 CAE 模拟软件[2]. (1)项目管理:将做完的解析模型(STL)导入 ADSTEFAN. (2)前处理: a.网格生成:读入 STL 文件后,因为受实验时间限制,调整网格分割大小, 使网格尺寸在 40 万左右,执行生成网格.逐层确认是否存在网格缺陷,必要时进 行编辑修补.确认无误后保存备用. b.分析条件:设定熔液流动分析和凝固分析.输入材料的热物性值,具体数 值见表 1.
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表 1.材料热物性值 材料名称 1.dummy 2.mold 3.casting Air Green A356 初期温度 (℃) 1.dummy 2.mold 3.casting 20 20 700 93 0.01 624 557 潜热 (cal/g) 壁面阻抗 0 0 密度 (g/cm^3) 0.012 1.5 2.7 动粘性系数 (cm^2/s) 热传导率 (cal/cm s deg) 0.0001 0.003 0.37 液相线温度 (℃) 比热 (cal/gdeg) 0.24 0.27 0.23 固相线温度 (℃)
(4) 分析执行:打开前面设置好的参数文件,实施流动和凝固的分析计算. 充型过程分析:图 2-1 为充型开始 阶段,金属液充满直浇道,没有空气卷 入,充型效果比较好.金属液进入型腔 后,如图 2-2 所示,内浇道还未充满, 进入型腔的金属液流直接冲刷到底部, 对铸型造成很大的冲击.如图 2-3 所示, 金属液流很不稳定, 空气卷在金属液中, 最终可能会导致气孔的缺陷.充型一段 时间后,如图 2-4 所示,金属液流逐渐 图 2-1 稳定平稳,直至填充完成,如图 2-5 所 示.
图 2-3
图 2-4
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图 2-4 图 2-5 解决方案:内浇道浇不满可以通过改变浇道的截面积改进.为了减小紊流, 可以减小浇注速度. 4.金属凝固过程的模拟与结果分析(30 分) 如图 3-1 所示,凝固首先从冒口开始,说明冒口的设计有问题,冒口比铸件更 早凝固使冒口起不到补缩的效果.铸件从上部薄壁处开始逐渐向下凝固,底座厚 壁的边角处也开始凝固,如图 3-2 所示.凝固达到底座后,如图 3-3 所示,内浇道 中断完全凝固,此时开始浇注系统起不到补缩的作用,底座从四周向中心孔洞方 向凝固.如图 3-4 所示,最后凝固的地方是底座的三个孔洞处.

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