基于ANSYS的铸造过程热应力场双向耦合的数值模拟

论文摘要

近年来铸造企业对数值模拟软件的引进越来越多，著名的商业软件有MAGMA、PROCAST等。目前主要应用上述软件模拟液态金属的充型情况，消除气孔或夹砂等缺陷；模拟铸件凝固过程中的补缩情况，以消除缩孔和缩松等缺陷。除此之外，铸件冷却凝固后的热裂和变形等缺陷也是企业十分关注的，该缺陷主要由于铸件凝固后的残余应力而产生。因此对铸件凝固过程热应力场的数值模拟具有十分重要的意义。目前铸造凝固过程热应力场数值模拟主要基于FDM/FEM的单向耦合数值模拟方法，该方法未考虑铸件凝固过程中铸件/铸型间界面热阻的变化。本文提出了基于ANSYS的FEM/FEM铸造凝固过程热应力场双向耦合数值模拟方法。该方法将铸件/铸型（芯）作为整个系统同时参与计算，这样能比较全面考虑力学边界条件。使用接触单元法处理铸件/铸型间的相互作用，根据铸件/铸型间的接触信息计算界面热阻，并反馈到下一步热分析中，实现温度场和应力场的相互影响。选取典型铸件应力框作为研究对象，采用双向耦合方法和单向耦合方法对其进行计算，并将模拟结果同实验数据进行对比。结果表明，使用双向耦合方法得到的温度分布更接近实验结果。采用双向耦合方法对列车车轮铸造过程热应力场进行数值模拟，获得较为满意的结果，表明双向耦合方法也适用于工程应用零件的热应力场模拟。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 铸造凝固过程热应力场数值模拟发展概况
• 1.3 铸造过程数值模拟基本方法
• 1.4 本文主要的研究内容和技术路线
• 2 铸造过程热分析基础理论
• 2.1 铸件凝固过程三维温度场的数学模型
• 2.2 铸件凝固过程三维温度场数数值方程的求解条件
• 2.3 潜热处理方法
• 2.4 界面热阻的计算
• 2.5 小结
• 3 铸造过程应力分析基础理论
• 3.1 热弹塑性理论
• 3.2 热弹塑性本构方程
• 3.3 塑性增量理论的基本准则
• 3.4 小结
• 4 基于 ANSYS 的铸造过程热应力场双向耦合分析
• 4.1 基于 ANSYS 的铸造过程热应力场双向耦合数值模拟方法
• 4.2 研究对象
• 4.3 材料的物性参数
• 4.4 定义热分析物理环境
• 4.5 定义结构分析物理环境
• 4.6 热—力迭代求解
• 4.7 结果后处理
• 4.8 小结
• 5 应力框浇注实验
• 5.1 应力框温度场测量
• 5.2 应力框残余应力测量
• 5.3 小结
• 6 列车车轮铸造热应力模拟分析
• 6.1 引言
• 6.2 车轮温度场数值模拟
• 6.3 车轮应力场数值模拟
• 6.4 小结
• 7 全文总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的文章