金属铸造凝固过程的界面传热系数的研究与应用

论文摘要

在金属铸造凝固过程中,在铸件/铸型界面间会产生空隙即热阻。热阻的大小随时间和空间变化,常常主导着热传导的过程,通常将热阻的影响表示为界面传热系数。在温度场数值模拟中,铸件与铸型间的界面传热系数是关键的参数。本文通过利用大型通用有限元分析软件ANSYS对金属铸造凝固过程的温度场进行了数值模拟分析,利用“反问题”的方法对界面传热系数进行了求解,并通过试验证明了这种方法的正确性和通用性。主要研究工作如下:1、利用ANSYS软件从是否考虑热阻(或界面传热系数)的角度来对同一铸造凝固过程的温度场进行模拟分析,进而判定接触热阻的存在对温度场分布的影响;在考虑界面热阻情况下,对当界面传热系数取不同值时的铸造凝固过程的温度场进行模拟,对比分析模拟结果与试验结果,得到界面传热系数对铸造凝固过程温度场的影响;2、由于重力和铸型表面散热情况等因素的影响,处于铸件/铸型界面处的竖直方向产生的空隙大于水平方向,模拟时考虑以上因素,界面传热系数根据铸件与铸型接触面所处位置不同取不同值,并将模拟结果与试验结果进行对比分析;3、采用“测点温度计算界面传热系数”和“0.618法直接搜索界面传热系数”两种方案同时利用“反问题”的数学方法来求解界面传热系数,并应用ANSYS软件、0.618法和最小二乘法得出了界面传热系数随时间变化的规律并建立其数学模型。基于以上的方法和所得结论,可以扩展到考虑接触应力、不同厚度、不同时间(或温度)等情况,建立关于应力、厚度、时间(或温度)等的界面传热系数的数学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 本课题的来源及研究的目的和意义
• 1.2.1 本课题的来源
• 1.2.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 本课题的研究状况
• 1.3.1 凝固过程数值模拟的研究历史
• 1.3.2 凝固过程数值模拟的应用
• 1.3.3 目前存在的问题
• 1.4 本文的主要研究内容及其创新点
• 第二章 有限元理论基础及传热学基本原理
• 2.1 有限元法的概述
• 2.2 有限元法的基本流程
• 2.3 传热学基本原理
• 2.3.1 传热学经典理论
• 2.3.2 三种基本热传递方式
• 2.4 热传导的微分方程和定解条件
• 2.4.1 热传导的微分方程
• 2.4.2 热传导的边界条件和初始条件
• 2.5 热传导分析的有限元法
• 2.5.1 稳态热传导的有限单元法
• 2.5.2 瞬态热传导分析的有限单元法
• 2.6 ANSYS 非线性分析
• 2.6.1 ANSYS 软件介绍
• 2.6.2 几何非线性
• 2.6.3 材料非线性
• 2.6.4 状态非线性
• 第三章 金属铸造凝固过程的界面传热系数的试验研究
• 3.1 铸造模型和数学模型
• 3.1.1 铸造模型
• 3.1.2 数学模型
• 3.2 模型处理及边界条件
• 3.2.1 温度场模拟所使用的单元简介
• 3.2.2 模型处理
• 3.2.3 凝固潜热的处理
• 3.2.4 对流换热系数的设定
• 3.3 数值模拟结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 金属铸造凝固过程的界面传热系数的预测方法
• 4.1 热传导反问题
• 4.1.1 热传导反问题概况
• 4.1.2 热传导反问题的特点
• 4.1.3 热传导反问题的数学模型
• 4.2 方案（一）
• 4.2.1 数学方法
• 4.2.2 模拟结果分析
• 4.3 方案（二）
• 4.3.1 计算程序流程
• 4.3.2 最优化法在反问题中的应用
• 4.3.3 0.618 法的应用程序
• 4.3.4 数值模拟结果及分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 试验及模拟验证
• 5.1 试验设备和数据分析
• 5.1.1 试验目的及试验设备
• 5.1.2 试验过程
• 5.1.3 试验数据分析
• 5.2 有限元模拟试验验证
• 5.2.1 热性能参数
• 5.2.2 试验模拟及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 有待进一步研究的内容
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢