铝合金半固态浆料电磁搅拌下流场数值模拟及试验研究

论文摘要

电磁搅拌工艺参数与半固态浆料的质量密切相关,本研究的目的是通过数值模拟来找出电磁搅拌过程中流体的运动特征和规律,并结合试验研究来优化电磁搅拌工艺参数。本文首先利用ANSYS有限元分析软件建立铝合金半固态浆料电磁搅拌的磁流耦合场模型。通过对电磁场耦合模拟分析,得到了磁场磁力线分布情况、磁感应强度分布情况及铝合金熔体中洛伦兹力大小的分布情况。通过对流场进行模拟后发现,在熔体内部竖直方向上存在两个高度相等的漩涡,这与电磁搅拌机理一致。模拟得到的熔体内部流动速度最大值出现在熔体区域的右上角和右下角处,熔体内部的流动速度最小值位于漩涡中心附近。通过对不同搅拌频率、不同电流密度、不同坯料高径比、不同温度下的流场的模拟,依次得到了四种条件下熔体内部流动速度最大值和最大剪切速率的变化规律。为了研究频率、电流密度、坯料高径比和温度四个因素变化对最大流动速度的影响,通过正交模拟试验,得到了四个因素变化时最大流动速度的变化规律以及四个因素影响最大流动速度的主次顺序。确定了实验方案,分别对搅拌功率为1.8kw/kg、1.2kw/kg、0.8kw/kg、0.6kw/kg,不同温度（600℃、595℃、590℃）下所取试样进行显微组织观察和比较,发现在同一搅拌功率下,595℃时取样的显微组织最理想,因此595℃是一个比较合适的搅拌终了温度。分别对同一温度（595℃）,不同搅拌功率（1.8kw/kg、1.2kw/kg、0.8kw/kg、0.6kw/kg）下,所取试样进行显微组织观察和比较,发现初生α-Al均为非枝晶的近球状、蔷薇状组织。搅拌功率为1.8kw/kg时,初生α-Al晶粒最均匀细小、圆整。由实验结论可知,在同一温度下,流体流动速度是影响半固态浆料最终显微组织的最主要因素,流动速度越大,说明搅拌的效果越好,越易得到圆整细小、均匀分布的半固态组织,流动速度越小则反之。所以,本文数值模拟部分得到的铝合金半固态浆料电磁搅拌下流场的流动规律,对实验具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 半固态加工技术概述
• 1.1.1 半固态加工的概念及特点
• 1.1.2 半固态金属加工的主要工艺过程
• 1.1.2.1 半固态塑性加工
• 1.1.2.2 半固态压铸
• 1.1.3 半固态金属浆料的制备工艺
• 1.2 电磁搅拌技术概述
• 1.2.1 电磁搅拌技术及特点
• 1.2.2 国内外关于电磁搅拌技术的研究现状
• 1.3 选题意义和主要研究内容
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 电磁搅拌时熔体流场的有限元数值模拟
• 2.1 有限元数值模拟在实验中运用的意义
• 2.2 ANSYS软件简介
• 2.2.1 ANSYS电磁场分析简介
• 2.2.2 ANSYS/FLOTRAN分析简介
• 2.3 电磁搅拌有限元分析理论
• 2.3.1 电磁流体力学的基本原理
• 2.3.2 电磁力对半固态浆料的作用原理
• 2.4 有限元模拟过程
• 2.4.1 模拟前的几点假设
• 2.4.2 电磁与流场耦合模拟过程
• 第3章 模拟结果分析
• 3.1 电磁场模拟结果分析
• 3.2 流场模拟结果分析
• 3.2.1 不同搅拌频率下的流场
• 3.2.2 不同电流密度下的流场
• 3.2.3 不同坯料高径比下的流场
• 3.2.4 不同温度下的流场
• 3.3 正交模拟试验方案设计及结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 电磁搅拌的试验研究
• 4.1 试验材料与设备
• 4.1.1 实验选用材料
• 4.1.2 电磁搅拌设备
• 4.1.3 坩埚的选取
• 4.1.4 温度测量系统设计
• 4.2 半固态温度的确定
• 4.3 试验过程及现象
• 4.4 试验结果及分析
• 4.4.1 温度对半固态组织的影响
• 4.4.2 同一温度下不同搅拌功率对半固态组织的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文