立式离心铸造充型过程数值模拟

论文摘要

离心铸造作为一种高效铸造成形方法，广泛应用于军事，精密仪器制造和航空航天等领域。近年来，离心铸造在铸造行业中占据着越来越重要的地位。然而，相比普通铸造，离心铸造流动场更加复杂，离心铸造过程更难于控制。目前，基于离心铸造的生产工艺一般停留在定性设计，经验生产的状态。利用计算机数值模拟技术实现对离心铸造生产过程的模拟，能够在生产过程提前预测缺陷、实现优化工艺、指导生产，并有效地控制铸件质量。为此，拟采用计算机数值模拟方法，深入探索了立式离心铸造金属液充型流动规律。根据立式离心铸造的特点，阐述了立式离心铸造的关键工艺，分析了基于离心铸造下的两类惯性力的作用和离心铸造自由表面的特点。为了更加准确地模拟充型过程中自由表面的变化，本研究采用Level Set方法建立了立式离心铸造充型过程气-液两相流的数学模型。在对立式离心铸造数学模型的求解方面，采用基于交错网格的有限差分法对控制方程组进行离散，应用Projection方法求解充型过程的速度场和压力场，提高了计算效率和计算精度。在用Level Set方法追踪自由表面时，采用高精度的三阶龙格-库塔方法和五阶WENO格式，提高了自由表面追踪的准确性。研究了离心力作用下圆柱形容器中液体自由表面和压力的分布情况，推导了离心力作用下的流动过程的解析解。为了验证本研究的Projection-Level Set两相流数学模型和数值方法的准确性，本文模拟了有解析解的立式离心铸造流动过程算例，数值结果与理论结果吻合较好。同时，采用本文的数学模型数值模拟方法模拟了两件具体的薄壁复杂铸件的充型流动过程，验证了该方法对于薄壁复杂铸件充型过程的模拟计算能力，同时说明本研究开发的程序具有较高的实用性。最后，研究了基于通用CFD软件FLUENT和专业铸造软件华铸CAE/InteCAST在立式离心铸造数值模拟方面的应用，比较了几种软件的特点，这对今后指导立式离心铸造数值模拟和优化工艺有一定的借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 国内外研究与发展现状
• 1.3 主要研究内容和目标
• 2 立式离心铸造工艺特点及数学模型
• 2.1 前言
• 2.2 立式离心铸造关键工艺
• 2.3 离心铸造中的两种惯性力
• 2.4 离心铸造金属液流动场数学模型
• 2.5 本章小结
• 3 基于 Projection-Level Set 的数值方法
• 3.1 前言
• 3.2 Projection 法简介
• 3.3 流动场控制方程的求解
• 3.4 时间步长的确定
• 3.5 边界条件处理
• 3.6 Level Set 方程数值解法
• 3.7 数值算例
• 3.8 本章小结
• 4 离心铸造数值模拟的验证及应用
• 4.1 前言
• 4.2 解析解的推导和数值算例
• 4.3 立式离心铸造数值模拟技术的应用
• 4.4 本章小结
• 5 商品化软件在离心铸造数值模拟上的应用
• 5.1 前言
• 5.2 FLUENT 离心铸造数值模拟中的应用
• 5.3 华铸 CAE/InteCAST 在离心铸造数值模拟中的应用
• 5.4 基于 Level Set 的两相流模型与 VOF 两相流模型对比
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读学位期间发表论文