双金属固—液复合有限元模拟

论文摘要

耐磨件广泛应用于工业领域,工业的发展要求耐磨金属同时具备高强度和高韧性。实际的金属很难达到这样的标准,双金属复合材料应运而生。固-液界面的结合情况是影响双金属复合材料整体性能的重要指标。本文采用高铬铸铁和Q235的固-液复合铸造有限元模拟为研究课题,利用大型有限元商业软件ANSYS模拟了不同工艺条件下的双金属复合过程,分析了工艺参数对于复合界面复合的影响情况。本文的主要工作和研究结果如下：（1）利用大型热力学软件JMatPro对高铬铸铁和Q235的热物性参数进行计算,克服了以往利用经验公式计算热物理性能的不足,得到了材料在高温区的热物性值,提高了模拟的精度。（2）根据固-液双金属复合铸造的特点,建立合理的有限元模型,利用ANSYS模拟双金属固液复合过程。通过分析高铬铸铁、Q235在不同时刻的温度场情况可知,高铬铸铁的凝固呈现顺序性,靠近Q235的部分先凝固,靠近砂模的部分后凝固,这使得集中缩孔留在复合金属表面,提高了复合芯部的组织致密度。（3）单独改变预热温度、浇注温度、液固比来设计不同的实验方案,利用ANSYS进行模拟。分析复合界面的温度变化表明,液固比、浇注温度、预热温度的提高均能够在不同的程度上提高复合界面的温度,延长界面在高温区域的停留时间,提高界面复合的质量。（4）在相同的工艺条件下,改变砂模的类型,进行ANSYS模拟。结果分析表明,导热系数差的砂模可以提高界面的复合质量。固-液双金属复合铸造过程温度场的数值模拟,能够有效的分析浇注温度、预热温度等工艺参数对于固-液界面复合情况的影响,可为改善工艺措施、优化固-液双金属复合铸造的工艺方案提供有价值的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 双金属复合简介
• 1.3 双金属复合国内外发展概况
• 1.3.1 国外双金属复合的发展概况
• 1.3.2 国内双金属复合的发展概况
• 1.4 典型的双金属复合铸造工艺
• 1.4.1 固-液复合工艺
• 1.4.2 液-液复合工艺
• 1.4.3 固-固复合工艺
• 1.5 固-液复合铸造工艺要点
• 1.5.1 界面复合机理
• 1.5.2 界面复合质量的影响因素
• 1.6 铸件凝固过程的数值模拟的发展及现状
• 1.6.1 数值模拟方法
• 1.6.2 凝固过程温度场的数值模拟
• 1.6.3 ANSYS热分析简介
• 1.6.4 ANSYS温度场数值模拟的应用及发展
• 1.7 课题背景及研究内容
• 1.7.1 课题的背景
• 1.7.2 课题的意义
• 1.7.3 课题研究的内容
• 第2章 基础理论和分析处理方法
• 2.1 温度场数值模拟的基础理论
• 2.1.1 热分析及其分类
• 2.1.2 热传递方式
• 2.1.3 单值性条件
• 2.2 ANSYS铸造模拟分析理论
• 2.2.1 铸造过程导热模型
• 2.2.2 凝固潜热的处理
• 2.2.3 ANSYS分析过程
• 2.3 本章小结
• 第3章 固-液复合铸造模拟方案的制定
• 3.1 材料选择及热物性参数计算
• 3.1.1 复合材料选材依据
• 3.1.2 JMatPro计算热物性参数
• 3.1.3 砂模的热物性参数
• 3.2 物理模型简化及有限元模型的建立
• 3.2.1 初始条件的处理
• 3.2.2 边界条件的处理
• 3.2.3 时间条件的处理
• 3.2.4 求解设置
• 3.2.5 有限元模型的建立
• 3.3 模拟方案
• 3.3.1 液固比对于界面的影响
• 3.3.2 预热温度对于界面的影响
• 3.3.3 浇注温度对于界面的影响
• 3.3.4 型砂种类对于界面复合温度的影响
• 3.3.5 模拟方案的制定
• 3.4 本章小结
• 第4章 模拟结果分析
• 4.1 典型工艺条件下芯材温度分布
• 4.1.1 固-液复合过程中复合材料温度变化
• 4.1.2 复合过程中外材与芯材温度变化
• 4.2 工艺条件对芯材温度分布的影响
• 4.2.1 预热温度对芯材温度分布的影响
• 4.2.2 浇注温度对芯材温度分布的影响
• 4.2.3 液固比对芯材温度分布的影响
• 4.2.4 型砂种类对芯材温度分布的影响
• 4.3 误差分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢