铸造技术 Ｒ ＩＤＲＹ Ｔ日ＣＨＮ０１ ０ＧＹ Ｖ０１．２３ ＮＯ．４ Ｊｕ１．２００２
基于ＡＮＳＹＳ铸件充型与凝固数值模拟的研究
齐 慧，杨 屹，蒋玉明
（四川大学，四川成都６１００６５） 摘要：根据流体力学和砂型铸造的特点建立了该条件下的控制方程、求解方法、初始条件及边界条件，并利用所建立的数学模 型模拟了一试验件，在模拟的过程中分别用２种方法对流场进行了模拟，并与实测结果进行比较，结果表明，采用充型过程的 方法更接近实测值。 关键词：充型过程；数值模拟；ＡＮＳＹＳ；流动 中图分类号：ＴＧ２４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—８３６５（２００２）０４—０２１６—０３
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｆｌｏｗ ａｎｄ Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｄｕｒｉｎｇ Ｍｏｌｄ Ｆｉｌｌｉｎｇ ｏｆ Ｃａｓｔｉｎｇ
ＱＩ Ｈｕｉ，ＹＡＮＧ Ｙｉ，ＪＩＡＮＧ Ｙｕｍｉｎｇ （Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｓｏｌｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｓａｎｄｓ ｃａｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｒｅａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ
ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｏｒ ｔｅａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｏｎｅ， Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡＮＳＹＳ；Ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ
ZL201合金半固态压铸成形过程数值模拟
李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平
【摘 要】为了解半固态压铸过程中浆料充型规律及其流动特点,本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟,研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响,对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究,并进行试验对比.数值模拟结果显示,ZL201合金半固态触变压铸成形在浆料温度600℃、模具温度240℃时、低速压射速度0.1m/s、且在1.5s后进行速度切换、高速压射速度为l m/s时,所得铸件维氏硬度最大可达72HV,平均抗拉强度为208 MPa.按照该工艺条件成型的成形件显微组织致密,测得其平均抗拉强度为212.5 MPa、平均硬度值为70.8HV,性能较高,与模拟结果符合较好.
【期刊名称】《材料科学与工艺》
【年(卷),期】2018(026)005
【总页数】5页(P54-58)
【关键词】Anycasting;半固态触变压铸;压射速度;晶粒尺寸;维氏硬度;抗拉强度
【作 者】李涛;张博彧;王鹏;王冠州;卢仕琦;王平
【作者单位】材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004;材料电磁过程研究教育部重点实验室(东北大学),沈阳110004 【正文语种】中 文
【中图分类】TG249
铝合金的触变压铸是目前研究和应用最多的触变压铸工艺，早在20世纪70年代初期，就进行了半固态铝合金触变压铸实验[1-3].经过半固态触变压铸成形，成型件中的缩孔、气孔等显微孔洞很少，零件可进行热处理强化[4]；零件的成分、组织和性能很均匀，可实现近终化成形和大幅度减少机加工量.因此，铝合金触变压铸在汽车及其他工业得到较大规模的实际应用[4-5].目前，人们对半固态成型技术已进行了大量研究[6-8]，并取得了许多卓有成效的成果[9-12]，但对于半固态压铸过程中浆料充型规律、流动特点等尚缺乏系统深入的了解.为此，本文采用AnyCasting铸造仿真软件特有的半固态触变功能模块(Bingham粘度模型)对半固态ZL201铝合金的触变充型过程进行数值模拟[13-14]，研究慢、快压射速度及切换时间对半固态触变压铸充型过程的影响，对最优充型条件下的铸件微观组织及力学性能进行模拟研究，并进行试验对比，以期为半固态成型技术的深入研究奠定实验基础.
Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ．２００８ 冶 金能源 ＥＮＥＲＧＹ ＦＯＲ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ２３ 铝板坯充型过程流场与温度场的耦合数值模拟 姚 海 崔小朝 禹海燕 （太原科技大学工程力学系） 摘要利用ＦＬＯＷ一３Ｄ软件对铝的充型过程进行了数值模拟，采用了耦合模拟的方法对结 晶器内的流场和温度场进行了分析。通过比较不同的换热系数和浇铸速度下的结果，得到换 热系数和浇铸速度对结晶器内流场和温度场的影响。 关键词充型结晶器流场温度场 Ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｌａｂ Ｙａｏ Ｈａｉ Ｃｕｉ Ｘｉａｏｃｈａｏ Ｙｕ Ｈａｉｙａｎ （Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＦＬＯＷ一３Ｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｃｏｕｐｌｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ・Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｏ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｉｎ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ 铝的充型过程是在一种非稳态下进行，铝液 释放显热和潜热，并且逐渐凝固成一定形状铸坯 的工艺过程…。结晶器内铝水流动和传热是一 个在高温下极其复杂的物理过程。直接测量结晶 器内铝水流动和温度分布是非常困难的。因而， 利用数值模拟对结晶器的流场和温度场进行研 究，定量地了解结晶器内流体运动状态和传热特 征是一种行之有效的研究方法。 虽然液态金属的充型过程模拟日益引起人们 的重视，但是充型过程不仅涉及流体的流动问 题，而且伴随着温度下降与金属凝固现象的发 生，因而充型过程的数值模拟极为复杂。它涉及 的控制方程多、计算量大而且迭代结果容易发 散，特别是自由表面的处理问题难度大，且模拟 结果难于验证，使充型过程的数值模拟工作与软 收稿日期：２００８—０２—２５ 姚海（１９８１一 ），硕士生；０３００２４山西省太原市。 件应用水平受到一定的阻力。但随着计算机应用 水平、数值方法和实验技术的进步，铸件充型凝 固过程的数值模拟工作已经越来越成熟。用数值 模拟方法对铝的充型进行研究的重要目的之一就 是确定铝水在结晶器中的凝固和流动的分布，了 解和掌握在铝水浇铸的过程中在不同时间下凝固 和流动的分布情况。 １基本理论 １．１ ＦｌＯＷ一３Ｄ软件功能介绍 ＦＬＯＷ一３Ｄ是一个国际著名的计算流体动力 学（ＣＦＤ）和传热分析软件，可以模拟铸件的充 填和凝固过程，让铸造工程师能更深入地了解铸 造过程。Ｆ．ＬＯＷ一３Ｄ作为一个高度可靠且准确性 的模拟工具，可协助工程师们解决铸造工业中的 各种金属流动问题。 ＦＬＯＷ一３Ｄ首创自由流体表面跟踪ＶＯＦ完
第２３卷第２期 能源研究与信息 Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｖｏ１．２３ Ｎｏ．２ ２００７
文章编号：１００８—８８５７（２００７）０２—０１ １卜０６
液态金属浇注过程中流动与传热耦合数值模拟
程德新，汪军
（上海理工大学动力工程学院，上海２０００９３）
摘要：浇注系统的设计是铸造工艺设计的主要内容。利用数值模拟技术，可对浇注系统进 行优化设计。建立了液态金属流动和传热的数学模型，讨论了边界条件、初始条件的选择， 对液态金属浇注过程中的流动与传热耦合问题进行了数值模拟，并对模拟结果进行了讨论。
所得结论对于浇注系统和过程的优化设计具有重要的实用价值。
关键词：液态金属：浇注系统；流动与传热耦合；数值模拟
中图分类号：ＴＧ２４４；ＴＫ１２４ 文献标识码：Ａ
迄今为止，通过对液态金属充填浇注系统的内浇口进行传热分析，可得到浇注系统设计
的一些定性原则及简单计算结果，但这离完全满足生产实际应用的需求还有一些差距。而应用 试验来直接观察液态金属流动过程和传热状况也比较困难。因此，有必要应用数值模拟技术研
究浇注系统中的传热过程。这种传热过程是伴随着液态金属的流动而发生的，所以要进行液态
金属在浇注过程中的流动与传热耦合的研究。
相应地，欲准确地对铸件的凝固过程进行数值计算，流动分析必不可少。以往在进行温
度场计算时通常都假设一个理想的、温度均匀的初始条件，或凭经验人为地设置初温，这显然
会直接影响到计算的准确性。进行铸件凝固过程中流动与传热的耦合计算，可从根本上解决上 述问题，得出的初始温度场保证了后续凝固过程模拟的准确与可靠性。
１ 数学模型
在铸造过程中，液态金属的流动是一种粘性、不可压缩、非稳态的流动过程，可采用下
述三个方程来描述 质量守恒方程（即连续性方程）
ＡＶ＝０ （１） 式中， 为速度矢量，ｍ．ｓ一。
动量守恒方程（Ｎ—Ｓ方程）
： △ Ｖ一６ｐ＋ Ｇ （２）
