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1、 . . . 基于ANSYS的铸件充型凝固过程数值模拟摘 要铸造过程数值模拟是当前材料加工领域的研究热点，目前进行的研究多将充型过程和凝固过程分开进行，且多在铸造专业软件上实现。只进行充型过程数值分析，得到的温度计算结果不能预测缺陷，没有工程实用价值；只进行凝固过程数值分析，温度初始条件多建立在“瞬间充型、温度均布”假设的基础上，从而难以得到可靠的温度场、应力场计算结果，而建立在温度场结果基础上的缩孔、缩松、热裂判断也难以准确，尤其是在尺寸上厚大的零件。因此，研究在通用模拟软件上进行铸造充型与凝固全过程数值模拟，对铸造数值模拟的工程实用化水平的提高有着重大意义。本文研究了铸造充型和凝固过程各控
2、制方程的离散，用ANSYS Fluent软件包实现了铸造充型过程热流耦合计算与凝固过程温度场计算，得到了与实验相符的计算结果。用ANSYS Mechanical模块实现了铸造充型凝固过程流程、温度场、热应力场的计算，并进行了缩孔、缩松、热裂的缺陷预测。主要研究工作如下：1、 研究了铸造充型过程各控制方程的有限体积法离散方法；2、 研究了铸造凝固过程各控制方程的有限元法离散方法；3、 研究了ANSYS Fluent中边界条件、初始条件、材料参数、紊流模型、相变等设置方法，并实现充型过程热流耦合和凝固过程的温度场计算；4、 研究了ANSYS Mechanical中边界条件、初始条件、材料参数、紊流
3、模型等设置方法，并实现充型过程热流耦合计算，并用热弹塑性力学模型，耦合计算了凝固过程温度场和应力场；5、 比较了有限体积法(FVM)和有限元法(FEM)在热流耦合计算的过程与结果，得出有限体积法在求解流动和温度上速度较快的结论；6、 选择合适的判据，对缩孔、缩松、热裂缺陷进行了预测。关键词：铸造 充型 凝固 温度场 流场 热应力场 数值模拟 / AbstractCasting process simulation is the current hot research of materials processingfield. Most current researches process d
4、o filling and solidification processsimulation separately, and implementedon cast professional software. Temperature field results of mold filling process numerical analysiscan not be used to predict the defects, which provide no practical value for engineering; numerical analysis of solidification
5、processbased on the assumption moment of filling, temperatureuniform,which can cause inaccurate results of the temperature field and stress field, and the shrinkage, thermal crackingdefects predict will inaccurate too, especially heavy castings. Therefore, the study on the whole process of filling a
6、nd solidification simulation on general simulation software has great significance to raise practical engineering level ofcastingnumerical simulation.In this paper, discrete equations offilling and solidification process were studied.Using ANSYS Fluent software package coupled calculate temperature
7、field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process,which consistent with the experimental results.Using ANSYS Mechanical module calculate temperature field, thermal stress calculation of casting process, and predict shrinkage, shrinkage and thermal cracking
8、defects. The main work is as follows:1. Use FVM discrete control equations of mold filling process.2. Use FEM discrete control equations of solidification process.3. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Fluent, and coupled
9、calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process.4. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Mechanical, and coupled calculate temperature field and flow field o
10、f mold filling process. And use Thermal elastic-plastic mechanical model, coupled calculated temperature field and temperature field.5. Comparied the process and results of FVM and FEM,and obtained conclusion that FVMis faster than FEM in flow field and temperature field calculation.6. Select the ap
11、propriate criterion to predict shrinkage, hot crackdefects.Key words：Casting, Mold Filling, Solidification, Temperature Field, Flow Field, Stress Field Numerical Simulation目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 铸造过程数值模拟国外发展现状21.2.1 充型过程数值模拟国外发展状况21.2.2 凝固过程数值模拟国外发展概况31.2.3 目前铸造数值模拟存在问题与课题提出41.3 充型过程数值模拟方法51.3.1 充型过程流
12、场模拟方法简介51.3.2 充型过程自由表面处理方法简介51.3.3 充型过程数值模拟实验验证61.4 凝固过程数值模拟方法61.4.1 凝固过程热应力计算的力学模型61.4.2 热力耦合常用数值计算方法61.5 ANSYS平台软件简介7第二章 铸件充型过程流场与温度场耦合计算82.1 控制方程82.1.1 连续性方程82.1.2 动量守恒方程82.1.3 能量方程92.1.4 紊流模型与方程92.2 控制方程的有限体积法离散形式102.2.1 流场模拟的各种数值方法比较102.2.2 计算区域离散112.2.3 动量方程的离散122.2.4 连续性方程的离散122.2.5 VOF法自由表面函
13、数方程的离散与自由表面的确定132.2.6 能量方程的离散142.3 流场与温度场耦合计算的流程图15第三章 凝固过程数值分析163.1 凝固过程温度场数学模型与定解条件163.1.1 数学模型163.1.2 定解条件163.1.3 凝固潜热的处理183.1.4 瞬态导热控制方程的有限元解法183.1.5 三维瞬态温度场有限元法/有限体积法计算流程193.2 铸造凝固过程应力场数值模拟203.2.1 热弹塑性模型的本构方程203.2.2 热弹塑性模型的有限元算法23第四章 Benchmark标准试件铸造过程流场与温度场耦合计算254.1 伯明翰大学Sirrel.B标准验证实验简介254.2 充
14、型过程流场与温度场计算264.2.1 计算模型264.2.2 计算过程与结果对比264.3 凝固过程温度场计算294.3.1 边界条件与相变设置304.3.2 求解结果与对照304.4 小结31第五章 基于ANSYS Mechanical铸造过程流场、温度场、应力场计算325.1 充型过程流场与温度场耦合计算325.1.1 计算模型与材料参数325.1.2 边界条件与初始条件335.1.3 充型过程求解结果与分析335.2 凝固过程温度场与应力场耦合计算355.2.1 材料参数355.2.2 计算结果与分析365.3 缺陷预测395.3.1 卷气和浇不足缺陷预测395.3.2 凝固过程缩孔缩松
15、判定395.3.3 热裂的预测415.4 小结42第六章 有限体积法和有限元法在流场、温度场计算比较436.1 袁浩扬水力模拟实验简介436.2 网格离散模型与边界条件436.3 计算结果与比较446.4 比较结论45第七章 结论与展望467.1 结论467.2 展望46参考文献48发表论文和科研情况说明51致52第一章 绪论1.1 引言铸造是重要的零件成型方法，传统的铸造技术普遍存在着铸件质量差、废品率较高等问题，铸件生产多采用试错法，对于大型铸件或新产品的开发来说，周期较长、浪费大，不能保证铸件质量1。所以在铸造工艺设计阶段，用计算机模拟铸件的充型、凝固过程，对可能产生的缺陷进行预测，改进铸造工艺成为一种行之有效的途径。铸造是直接将液态金属浇入铸型、流经浇道、进入型腔、充满型腔并冷却，得到需要的形状结构并具有一定力学性能的零件的过程2。它包括充型过程和凝固过程两部分，充型过程中，流动不平稳可能产生夹砂、卷气等缺陷；金属液进入型腔的速度（或流量）过小，充型时间过长，容易产生冷隔或浇不满；如果金属液速度过大则容易出现喷射现象，以与金属夹杂或铁豆，还可能使型壁破损，产生砂眼等缺陷。铸造凝固过程温度下降过快可能会产生缩孔缩松；而应力场的分布可以预测变形，热
