铜模压模铸造温度场及应力场数值模拟研究

论文摘要

云南铜业股份公司为了满足新建的九、十跨艾萨电解需要,重新设计阳极板母模,即铜模。公司首先应用现有设备进行了六次普通浇注实验,经过使用,铜模的使用寿命不高,且生产出的铜模工作面不够光滑,致密度疏松,容易产生气泡、裂纹。目前阳极板铜模的制造,除采用普通浇铸法之外,已有压模成型工艺的设想及应用。它能更有效地减少模表面气孔,降低模表面粗糙度,上模由于与压模轴连成一整体,只有在铜水浇铸后,才从上方压入铜水而形成阳极板凹形,因此上模板接触高温铜水时间更短,而且避免了铜水的冲刷,使得上模板寿命更长。云南铜业股份公司参照国外同行公司使用的压铸设备,并结合自身实际生产情况研制开发出符合本公司的大型半开式压力铸造方法来生产纯铜模,其目的是为了提高铜模的质量与使用寿命。铸造过程的数值模拟是学科发展的前沿领域,已经进入工程实用化阶段。铸造凝固过程应力场的数值模拟能够帮助工程技术人员在铸造工艺设计阶段对可能出现的各种缺陷及其大小、部位、和发生的时间予以有效的预测,从而优化铸造工艺,确保铸件质量,缩短生产周期,降低生产成本。本文将利用数值模拟的方法对大型半开放式压铸过程进行仿真,研究铜模、压铸模的温度场及应力场的分布规律,并对缺陷进行分析与预测,为实际生产提供科学依据。本文阐述了数值模拟技术在铸造中的温度场及应力场方面的研究概况,以及数值模拟的基本方法。对有限元数值模拟中关于温度分析和应力计算的有限元理论进行了分析,建立了凝固过程中的瞬态温度场及热弹塑性应力场的数学模型。本文以大型半开放式铜模压铸为研究对象,选用大型通用有限元软件ANSYS,建立三维有限元模型,通过合理的模拟计算假设,设定初始条件、边界条件,并成功施加载荷,对铜模铸件及压铸模进行了三维温度场及应力场的数值模拟。模拟计算结果较好地反应了铜模及压铸模三维温度场及应力场的冷却过程温度及应力的动态变化,对温度场和应力场的结果进行了详细分析,预测出铜模及压铸模在压铸冷却过程中的凝固缺陷、裂纹、变形,并针对可能会出现的缺陷对压铸模进行了适当改进,工艺改进后的模拟分析结果与实际生产相符合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景及意义
• 1.2 铸件凝固过程数值模拟研究概述
• 1.2.1 数值模拟的基本方法
• 1.2.2 铸件凝固过程温度场及应力场数值模拟概况
• 1.3 ANSYS在铸造过程模拟中的应用
• 1.3.1 ANSYS热分析简介
• 1.3.2 ANSYS在铸造中的应用
• 1.4 课题研究的主要内容及途径
• 1.4.1 课题研究的主要内容
• 1.4.2 课题研究的途径
• 1.5 小结
• 第二章 凝固过程温度场及应力场有限元分析理论
• 2.1 凝固过程温度场有限元分析理论
• 2.1.1 铸件凝固过程温度场数值模拟的基础理论
• 2.1.2 传热过程的定解条件
• 2.1.3 凝固过程结晶潜热的处理
• 2.2 凝固过程应力场有限元分析理论
• 2.2.1 热弹塑性模型本构方程
• 2.2.2 热弹塑性模型的有限元算法
• 2.3 铸件凝固过程热—力耦合分析
• 2.4 小结
• 第三章 温度场数值模拟
• 3.1 实体模型的建立
• 3.2 铸件凝固单值性条件的确定
• 3.2.1 材料热物性参数的确定
• 3.2.2 初始条件和边界条件的确定
• 3.2.3 有限元模型的建立
• 3.2.4 ANSYS热分析步骤
• 3.3 压铸中的铜模三维温度场数值模拟及分析
• 3.4 铜模时效温度场模拟及分析
• 3.5 小结
• 第四章 应力场数值模拟
• 4.1 应力场数值模拟过程
• 4.1.1 单元转换
• 4.1.2 力学性能参数设置
• 4.1.3 施加载荷并计算求解
• 4.1.4 ANSYS热应力分析主要步骤
• 4.2 铜模在压铸中的应力模拟及分析
• 4.3 铜模时效处理应力模拟及分析
• 4.4 压铸模应力模拟及分析
• 4.4.1 上模应力
• 4.4.2 母模应力
• 4.5 小结
• 第五章 铜模压铸结构及工艺改进
• 5.1 工艺改进后的铜模温度场模拟及分析
• 5.2 工艺改进后的铜模应力场模拟及分析
• 5.2.1 压铸过程应力
• 5.2.2 时效处理应力
• 5.3 工艺改进后的压铸模应力场模拟及分析
• 5.3.1 上模应力
• 5.3.2 底模应力
• 5.4 工艺改进后的实际压铸设备
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 （攻读硕士期间发表的论文）