钛合金电磁定向凝固系统电磁场FEM软件研制及耦合计算

论文摘要

钛合金是一种对国防和国民经济发展有特殊战略意义的难熔和活泼金属,但由于成形制备工艺复杂,生产过程耗能多,造成了严重的资源浪费。因此,大力发展新型钛合金冷坩埚和无模电磁定向凝固成形技术具有重要的理论意义和应用价值。本文以理论建模和计算机模拟为研究手段,以本文作者所在课题组的实验工作为基础,建立了钛合金电磁定向凝固系统电磁场计算的有限元(FEM)数值计算模型,并独立编制出通用性较好的2D谐响应电磁场模拟计算程序。将本文电磁场的FEM计算结果转换成适合于本课题组自行编制的铸件凝固三传数值模拟程序数据格式,初步达到了对钛合金铸锭/铸件电磁定向凝固传输过程进行自主的多物理场耦合数值计算的目的。本论文主要完成了以下工作:结合本课题组的实验工作,建立了钛合金电磁定向凝固电磁场计算的物理模型。根据Maxwell方程组,应用有限元的方法建立了钛合金电磁定向凝固电磁场计算的数值模型。采用Fortran 90语言编制了钛合金电磁定向凝固系统电磁场分布数值计算的通用程序。利用ANSYS 8.0软件对钛合金电磁定向凝固系统进行造型和FEM剖分,为本论文程序提供造型和剖分数据。同时应用ANSYS8.0软件模拟计算相同凝固系统的电磁场分布,将ANSYS电磁场计算结果与自行编制程序计算出的电磁场数据进行了对比。结果对照表明:本论文自行编制的电磁场FEM模拟程序给出的计算结果是可靠的,两者电磁场分布规律是相似的。改写了本论文程序以及ANSYS软件计算得到的电磁场有限元数据到有限差数据的转换程序,成功实现了多种钛合金电磁定向凝固系统的FEM→FDM电磁场数据格式转换。将本论文程序计算得到的电磁场有限差格式数据耦合到本课题组自行编制的铸件三传模拟程序,针对本课题组某钛合金上、下锭冷坩埚电磁定向凝固工艺的电磁加热升温过程进行了耦合模拟计算。模拟计算结果显示:在电磁加热的最初几十秒内上、下锭在感应线圈附近的温度急剧上升,在100秒以后钛合金上、下锭中的温度场分布逐渐趋于平衡状态。将本文电磁场的计算结果与钛合金类叶片铸件定向凝固传输过程进行耦合模拟,并与未加电磁场定向凝固传输过程情况进行对比,计算结果显示:

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 原理及应用概述
• 1.2.1 工作原理
• 1.2.2 电磁场在材料冶金及电磁加工（EPM）中的应用
• 1.2.3 软接触电磁成形与凝固控制
• 1.2.4 金属熔体的电磁近终成形技术
• 1.3 电磁铸造的数值模拟
• 1.3.1 EMC 的多场耦合数值模拟
• 1.3.2 钛合金冷坩埚电磁定向凝固系统电磁场FEM 数值计算
• 1.4 本论文要进行的工作
• 第2章 数学模型及数值计算方法
• 2.1 物理模型的描述
• 2.2 由麦克斯韦方程组建立起计算电磁场的数学模型
• 2.2.1 麦克斯韦方程组
• 2.2.2 正弦量转换成复数量
• 2.2.3 复数量还原成正弦量
• 2.2.4 用复数形式的MAXWELL 方程组建立计算电磁场的数学模型
• 2.3 界域以及边界条件的确定
• 2.4 数值方法的选择
• 2.5 涡流场以及磁场有限元算法分析
• 2.5.1 电磁参数的选择
• 2.5.2 磁位方程的等价变分与离散
• 2.5.3 刚度稀疏矩阵及右端向量的求解
• 2.5.4 系数矩阵K 的一维压缩存储
• 2.5.5 边界条件的确定
• 2.5.6 方程组的求解
• 2.5.7 由场量求出涡流和磁感应强度
• 2.6 磁场以及涡流场有限元程序的建立
• 2.7 本章小结
• 第3章 钛合金冷坩埚电磁定向凝固系统电磁场的有限元计算
• 3.1 引言
• 3.2 钛合金冷坩埚电磁定向凝固系统的造型及ANSYS 剖分
• 3.3 ANSYS 生成的造型剖分数据到本文模拟程序的格式转换
• 3.4 电磁场有限元计算
• 3.5 计算结果对比分析
• 3.5.1 ANSYS 电磁场计算带远场和不带远场计算结果分析
• 3.5.2 论文程序计算结果与ANSYS 计算结果对比分析
• 3.6 钛合金电磁定向凝固系统电流密度的计算
• 3.7 本章小结
• 第4章 钛合金叶片定向凝固系统电磁场有限元分析
• 4.1 本文程序钛合金叶片初始位置的ANSYS 造型及剖分
• 4.2 叶片初始位置电磁定向凝固电磁场有限元计算
• 4.2.1 网格数据格式的转换
• 4.2.2 电磁场计算
• 4.3 钛合金叶片初始位置ANSYS 造型及剖分
• 4.3.1 ANSYS 电磁场计算的造型
• 4.3.2 ANSYS 电磁场计算的剖分
• 4.4 ANSYS 电磁场有限元计算
• 4.5 钛合金叶片在初始位置电磁场计算结果对比分析
• 4.6 本文程序计算叶片下移20mm 时电磁凝固系统造型及剖分
• 4.6.1 钛合金类叶片铸件下移20mm 时定向凝固系统造型
• 4.6.2 钛合金类叶片铸件下移20mm 时的系统剖分
• 4.7 钛合金类叶片下移20mm 时凝固系统电磁场的FEM 计算
• 4.8 钛合金类叶片铸件下移20mm 时凝固系统的ANSYS 造型
• 4.9 钛合金类叶片铸件下移20mm 时凝固系统的ANSYS 剖分
• 4.10 钛合金叶片下移20mm 时凝固系统的ANSYS 电磁场计算
• 4.11 钛合金叶片下移20mm 时凝固系统电磁场计算结果对比
• 4.12 钛合金电磁定向凝固系统电流密度的计算
• 4.13 冷坩埚开缝区完全敞开时的电磁场计算结果
• 4.14 本章小结
• 第5章 钛合金电磁定向凝固多场耦合计算实例
• 5.1 引言
• 5.2 电磁场有限元数据与有限差数据格式的转换
• 5.2.1 有限差分法及有限元和有限差的差别
• 5.2.2 FEM→FDM 数据格式转换的插值计算
• 5.2.3 转换前后数据对比
• 5.3 上下锭冷坩埚定向凝固电磁感应加热升温过程的耦合模拟
• 5.4 本文电磁场与钛合金叶片定向凝固传输模拟计算的耦合
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理
• 致谢