铅锭模热—应力耦合模拟及其结构优化研究

论文摘要

锭模是铸造生产过程中重要的设备。在浇注铸锭的过程中,锭模受到高温和热应力的作用,表面容易产生热疲劳裂纹而失效,因而热疲劳是锭模最常见的失效形式。热疲劳开裂不仅缩短了模具寿命,而且还降低了铸锭表面质量。因此,研究锭模在工作过程中的温度场、应力场及其变化情况具有重要的实用价值。仅通过实验的手段得到锭模温度场和应力场是非常困难的。随着计算机数值仿真技术的发展,使得锭模的温度场和应力场的计算机模拟成为可能。本文根据铅锭实际生产过程,首先通过对不同石墨形态的铸铁进行热疲劳实验确定铅锭模的材质,然后利用有限元法对铅锭模工作过程进行热-应力耦合模拟计算,以此为基础,最后对铅锭模的结构进行了优化。不同石墨形态铸铁的冷热循环热疲劳试验的结果表明：铸铁的微裂纹总是起源于石墨相,由微裂纹扩展形成的主裂纹通常是沿着石墨和两石墨相间最近的基体扩展；在20℃-650℃间的冷热循环条件下,球墨铸铁的抗热疲劳性能最好,蠕墨铸铁次之,灰铸铁最差。根据热疲劳性能结果,选择了球墨铸铁作为铅锭模具的材质。文中温度场和应力场数值模拟中锭模的热物性参数和力学性能均按QT600设定。论文分析了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,并根据实际模型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。通过ANSYS软件模拟计算出铅锭模工作过程的瞬态温度场,并通过实验验证了铅锭模关键点和铅锭中心位置温度随时间的变化,模拟结果与实验结果较为吻合。通过导入温度场模拟结果作为体载荷,模拟并分析了铅锭模在铅锭凝固过程中应力场的分布及变化,结果表明最大的应力出现在锭模两面相交处,据此推断出锭模在工作过程中容易出现疲劳失效的部位是锭模两面相交处。在斜度为20°的条件下,对壁厚分别为15mm、25mm、35mm和45mm的铅锭模的温度场和应力场进行模拟计算,得出壁厚为25mm的锭模的应力最小。在壁厚为25mm的条件下,对锭模斜度分别为8°、12°和20°三种情况进行应力场模拟,结果表明：在相同壁厚条件下,斜度对铅锭模的应力影响较小。综合考虑铅锭模的使用寿命、铅锭表面质量问题,最终确定铅锭模的壁厚为25mm,斜度为12°。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 铸造CAE技术的研究状况
• 1.2.1 数值模拟基本方法
• 1.2.2 国外研究应用状况
• 1.2.3 国内研究应用状况
• 1.2.4 锭模数值模拟研究状况
• 1.3 铸造模拟软件及有限元模拟技术简介
• 1.3.1 铸造模拟软件的开发应用
• 1.3.2 ANSYS软件简介
• 1.3.3 有限元法概述
• 1.3.4 有限元分析基本步骤
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 铅锭模材质的选定
• 2.1 实验方法与内容
• 2.1.1 试样的成分及组织
• 2.1.2 试样的制备
• 2.1.3 冷热循环热疲劳实验方法
• 2.2 实验结果与分析
• 2.2.1 力学性能对热疲劳的影响
• 2.2.2 热疲劳裂纹的产生
• 2.2.3 热疲劳裂纹的扩展
• 2.3 本章小结
• 第三章 铅锭模温度场数值模拟
• 3.1 传热学基本理论
• 3.1.1 热传递方式
• 3.1.2 热力学第一定律
• 3.1.3 导热偏微分方程
• 3.1.4 定解条件
• 3.2 热传导分析的有限元法
• 3.2.1 稳态热传导分析的有限单元法
• 3.2.2 瞬态热传导分析的有限单元法
• 3.3 铸件凝固潜热的处理
• 3.3.1 温度回升法
• 3.3.2 等价比热法
• 3.3.3 热焓法
• 3.4 铸造模型及热物性参数的确定
• 3.4.1 实体模型的建立
• 3.4.2 热物性参数的确定
• 3.4.3 有限元模型的建立
• 3.4.4 ANSYS热分析步骤
• 3.5 铅锭模温度场数值模拟结果及分析
• 3.5.1 铅锭模温度场数值模拟
• 3.5.2 实验验证
• 3.5.3 铅锭模温度梯度分布
• 3.6 本章小结
• 第四章 铅锭模应力场数值模拟
• 4.1 铸造过程热、应力场的特性
• 4.1.1 热-结构耦合特性
• 4.1.2 非线性特性
• 4.2 应力场解释的有限元法
• 4.2.1 增量理论的基本准则
• 4.2.2 弹塑体本构方程
• 4.2.3 热弹塑性模型增量形式的有限元算法
• 4.3 应力场数值模拟过程
• 4.3.1 单元转换
• 4.3.2 力学性能参数设置
• 4.3.3 热应力分析基本步骤
• 4.4 应力场数值模拟结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 铅锭模结构优化
• 5.1 铅锭模壁厚的优化
• 5.2 铅锭模斜度的改进
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录