球墨鑄鐵具有強(qiáng)度高、韌性好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),在汽車、船舶、農(nóng)業(yè)機(jī)械以及軌道交通等行業(yè)具有重要應(yīng)用,是目前應(yīng)用最為廣泛的鑄造材料之一。然而,由于糊狀凝固特性和石墨化膨脹效應(yīng),其縮孔縮松等缺陷成為球墨鑄鐵件中難以有效解決的問(wèn)題。數(shù)值模擬技術(shù)可以輔助工程師更加精確地分析鑄鐵件中縮孔縮松缺陷的形成規(guī)律,從而設(shè)計(jì)出更為合理的工藝方案。本文針對(duì)球墨鑄鐵物性參數(shù)計(jì)算、凝固溫度場(chǎng)數(shù)值仿真以及縮孔縮松預(yù)測(cè)等方面展開(kāi)研究。主要內(nèi)容包括:（1）基于熱物性參數(shù)的計(jì)算理論,利用材料性能模擬軟件JMatPro獲得了準(zhǔn)確的球墨鑄鐵凝固熱物性參數(shù)。（2）從流體力學(xué)基本能量方程出發(fā),推導(dǎo)出變物性參數(shù)下的凝固溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型,并利用有限體積法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值離散,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜裝配條件下鑄件的凝固溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。（3）利用球墨鑄鐵的密度-溫度曲線對(duì)石墨化膨脹進(jìn)行定量化表征,并基于孤立補(bǔ)縮區(qū)域的凈膨脹率確定了鑄件局部膨脹/收縮量,結(jié)合所提出的縮孔縮松分配模型實(shí)現(xiàn)了球墨鑄鐵凝固過(guò)程中縮孔縮松缺陷的定量預(yù)測(cè)。（4）針對(duì)簡(jiǎn)單圓柱鑄錠以及球鐵基座鑄件的鑄造成形過(guò)程,采用已開(kāi)發(fā)的鑄鐵凝固模擬程序?qū)ζ溥M(jìn)行縮孔縮松預(yù)測(cè),并與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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潛熱釋放過(guò)程的時(shí)間離散Figure3-7Timediscretizationoflatentheatreleaseprocess

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文30nnnnnppppppbcTL(3-24)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的溫度場(chǎng)和物性參數(shù)表，初始化系數(shù)矩陣A和向量b的所有元素，求解線性方程組(3-22)即可得到下一時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布。通常情況下，單元個(gè)數(shù)N的數(shù)量級(jí)是百萬(wàn)級(jí)的，A中元素個(gè)數(shù)為12NN100D�？紤]到系數(shù)矩陣A中絕大多數(shù)元素的值為0，本文采用行壓縮格式[75](CRS)的稀疏矩陣存儲(chǔ)系數(shù)矩陣A，并采用預(yù)條件共軛梯度算法[76](PCG)求解方程組。3.3鑄件凝固溫度場(chǎng)模擬的實(shí)現(xiàn)3.3.1多材質(zhì)網(wǎng)格剖分實(shí)際鑄造工藝中，需要考慮的材料不止一種。以重力鑄造為例，涉及到的工藝部件有金屬液、鑄型、型芯、冷鐵、冒口套等等，這些部件往往都是由不同材質(zhì)構(gòu)成的。比如鑄型一般是砂子，冷鐵一般為銅質(zhì)，冒口套則為各種保溫材料。若要準(zhǔn)確計(jì)算鑄件冷卻過(guò)程中的溫度變化，需要同時(shí)計(jì)算所有部件的溫度變化及其之間的熱相互作用。圖3-8網(wǎng)格剖分示例Figure3-8Meshdefinitiondiagram本文采用統(tǒng)一的網(wǎng)格對(duì)多個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格剖分。首先將各個(gè)部件的三維幾何按照幾何關(guān)系裝配到一起，然后對(duì)整個(gè)裝配體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對(duì)剖分好的每個(gè)單元，按照其所屬部件的編號(hào)，賦予一個(gè)部件標(biāo)識(shí)。如圖3-8所示，裝配體共有5個(gè)部件，剖分

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文31的網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)單元分別有一個(gè)數(shù)字作為標(biāo)識(shí)。各個(gè)部件的接觸面對(duì)應(yīng)網(wǎng)格中各個(gè)單元的接觸面，并且接觸面上兩個(gè)相鄰網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)一致，這樣的網(wǎng)格稱為共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格。重力鑄造中，鑄件的熱量通過(guò)擴(kuò)散作用傳遞到鑄型，鑄型的熱量通過(guò)其表面與空氣的換熱作用傳遞給空氣，空氣通過(guò)對(duì)流作用將熱量帶到大氣。因此，在剖分網(wǎng)格的時(shí)候，本文在裝配體外剖分一層空氣網(wǎng)格，用以計(jì)算鑄件和空氣的換熱作用。3.3.2邊界條件和換熱系數(shù)本文假設(shè)與鑄件接觸的空氣層保持固定的溫度aT，求解區(qū)域的邊界條件就是一個(gè)迪利克雷邊界條件1,npaTTpair;¨;è8(3-25)空氣層包裹了整個(gè)裝配空間，因此整個(gè)求解域的最外層，都施加了迪利克雷邊界條件。不同部件之間存在接觸面，因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)時(shí)，這些接觸面不可能完全貼合，因此存在熱阻，本文通過(guò)定義界面換熱系數(shù)來(lái)表征這一現(xiàn)象。同時(shí)，空氣和鑄型表面的換熱系數(shù)可以表征對(duì)流換熱作用。圖3-9接觸面兩邊溫度分布與熱阻示意圖Figure3-9Schematicdiagramoftemperaturedistributionandthermalresistanceonbothsidesofcontactsurface如圖3-9所示，設(shè)兩個(gè)相鄰單元P和N分別屬于不同的部件，單元中心的溫度分別為TP和TN，定義h為接觸面S上的換熱系數(shù)，面S上靠近P側(cè)的溫度為T1，靠近N側(cè)的溫度為T2，P到面心Q的距離為d1，N到Q的距離為d2，kP和kN分別為單元P和N的導(dǎo)熱系數(shù)，則線段PQN上的溫度分布如圖中紅色虛線所示。

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