铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 - 重庆科技学院教务处 网站首页

铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 - 重庆科技学院教务处 网站首页 重庆科技学院 题 目 铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 院 (系) 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普2005-01 学生姓名 秦跃林 学号 2005441586 指导教师 杨治立 职称 副教授 评阅教师___ _ 职称___ 2009年 6 月 10 日 注 意 事 项 1. 设计(论文)的内容包括: 1) 封面(按教务处制定的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 封面格式制作) 2) 题名页 3) 中文摘要(300字左右)、关键词 4) 外文摘要、关键词 目次页(附件不统一编入) 5) 6) 论文主体部分:引言(或绪论)、正文、结论、参考文献 7) 附录(对论文支持必要时) 2. 论文字数要求:设计(论文)字数理工类不少于1.5万字，文科类不少于1.2万字。 3. 附件包括:任务书、文献综述、开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 、外文译文、译文原文(复印件)。 4. 文字、图表要求: 1) 文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准 请他人代写。 2) 工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符 合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准 用徒手画。 3) 毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印。 4) 图表应绘制于无格子的页面上。 5) 软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档。 5. 装订顺序 1) 设计(论文) 2) 附件 按照任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订 3) 教师指导毕业设计(论文)情况 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 表 4) 其它 学生毕业设计(论文)原创性声明 本人以信誉声明:所呈交的毕业设计(论文)是在导师的指导下进行的设计(研究)工作及取得的成果，设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计(论文)作者(签字): 签字日期 年 月 日 重庆科技学院本科生毕业设计(论文) 铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 院(系) 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普2005-01 学生姓名 秦跃林 指导教师 杨治立 副教授 2009年 6 月 10 日 重庆科技学院本科生毕业论文 中文摘要 摘 要 铸造铝镍钴磁钢LNGT72是目前铸造磁钢中综合磁性能最高的合金。其磁性的稳定性主要受到钢水浇注温度、结晶器冷却速度、铸模烘烤温度等诸多因素的影响。 本文以获得铝镍钴磁钢定向凝固过程中最佳柱状晶组织为主要目的。针对铸造铝镍钴的定向凝固工艺要求，用大型工具软件ANSYS对凝固过程的瞬态温度场进行有限元仿真。通过模拟得到不同工艺条件下铸件的完全凝固时间，铸件中心线各点的凝固前沿的温度梯度、生长速度及其它们的比值的变化规律。结果显示:钢水浇铸温度的改变对凝固速度R、凝固前沿液相温度梯度G的影响程度都很TL大，特别是对两者比值G/R的影响尤其显著;相反，底部热流密度和铸模烘烤TL 温度的改变对其影响较小。所得模拟结果与生产实际可以很好的吻合，为现场生产工艺的制定提供了理论依据。 关键词:铝镍钴 有限元 温度场 定向凝固 生长速度 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 英文摘要 ABSTRACT So far, LNGT72 is the alloy that has the highest magnetic energy among casting magnet. The stability of their magnetic properties mainly by pouring molten steel temperature, heat flux, mold baking temperature and many other factors. This paper take obtains the best columnar crystal organization in the AlNiCo magnets directional solidification process as the main purpose. As for the industrial requirements of directional solidification in the process of casting AlNiCo，finited element simulation for the transient temperature field of solidification process which using ANSYS of the large software tools. Though the finite element simulation, get the time of completely solidified and the change of temperature gradient G, growth rate R TL and the ratio of temperature gradient and growth rate which at the front of solidification in the different process conditions. The results showed that the change of R, G, and TL G/R is obvious when changing the temperature of molten steel casting at the front of TL solidification. Oppositely, the impact is unobvious that the changing of heat flux and mold baking temperature. The simulation results are consistent to the actual results of production. At the same time, provides a theoretical basis to enact the production method. Key word: AlNiCo; finite element; temperature field; directional solidification; growth rate PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 目 录 目 录 中文摘要 ............................................................................................................................................ I 英文摘要 ........................................................................................................................................... II 1 绪 论 .............................................................................................................................................. 1 1.1铝镍钴磁钢 ........................................................................................................................ 1 1.1.1铝镍钴的应用领域 ............................................................................................... 1 1.1.2铝镍钴的生产工艺类型及特点 ......................................................................... 2 1.2铝镍钴的定向凝固 ........................................................................................................... 2 1.2.1定向凝固理论......................................................................................................... 2 1.2.2定向凝固生产工艺类型及特点 ......................................................................... 3 1.3工艺因素对定向凝固的影响......................................................................................... 5 1.3.1 铸型温度 ................................................................................................................ 5 1.3.2 冷却速度 ................................................................................................................ 5 5 1.3.3 化学元素影响 ....................................................................................................... 1.3.4 冒口高度的影响 ................................................................................................... 6 1.4定向凝固过程模拟研究的国内外现状及水平 ......................................................... 6 1.4.1 三维枝晶包膜跟踪法 .......................................................................................... 7 1.4.2 电磁作用下的定向凝固模拟 ............................................................................ 7 1.4.3 定向凝固中的相场模拟 ..................................................................................... 8 1.5拟研究的主要问题 ........................................................................................................... 8 2 物理模型建立及初始设定 .................................................................................................... 10 2.1 研究对象及几何尺寸 .................................................................................................. 10 2.2 铸型有限元模型的初始设定 ..................................................................................... 11 2.2.1 各种材料物性参数的设定 ............................................................................. 11 2.2.2 初始条件的设定 ..................................................... 错误～未定义书签。14 2.2.3 边界条件的设定 ..................................................... 错误～未定义书签。14 2.3 铸型有限元模型的简化假设 ........................................... 错误～未定义书签。15 3 有限元传热模型.............................................................................. 错误～未定义书签。16 3.1 传热控制方程 ....................................................................... 错误～未定义书签。16 3.2 创建几何显示 ....................................................................... 错误～未定义书签。17 3.3 对几何模型进行网格划分 ................................................ 错误～未定义书签。18 3.4 相变问题的处理 .................................................................. 错误～未定义书签。19 4 定向凝固过程瞬态温度场的计算 .............................................. 错误～未定义书签。21 4.1 模拟过程计算思路 .............................................................. 错误～未定义书签。21 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 目 录 4.2 瞬态温度场计算原理 ......................................................... 错误～未定义书签。22 4.3 瞬态温度场数据提取 ......................................................... 错误～未定义书签。23 5 确定最优工艺条件 ......................................................................... 错误～未定义书签。25 5.1 钢水浇铸温度的确定 ......................................................... 错误～未定义书签。25 5.2 底部热流密度的确定 ......................................................... 错误～未定义书签。27 5.3 铸模烘烤温度的确定 ......................................................... 错误～未定义书签。30 5.4 工况条件下最佳工艺条件的确定 .................................. 错误～未定义书签。32 6 结论 .................................................................................................... 错误～未定义书签。35 参考文献 ................................................................................................ 错误～未定义书签。36 致 谢....................................................................................................... 错误～未定义书签。37 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 1 绪 论 材料一般分为结构材料和功能材料两大类。功能材料具有一种或几种特定功能的材料，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。20世纪60年代以来，各种现代技术如微电子、激光、红外、光电、空间、能源、计算机、机器人、信息、生物和医学等技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。铝镍钴就是这样一种功能材料。 1.1 铝镍钴磁钢 铸造铝镍钴是以铁和铁族元素为重要组元的合金型永磁材料，又称为永磁合金。这种永磁合金的磁性与合金的组元、含量及制造工艺等有密切联系。铸造铝镍钴磁钢LNGT72是目前铸造磁钢中综合磁性能最高的合金，制造工艺因素的控制是否得当，对磁性能影响十分明显，尤为突出的是铸件要稳定地获得粗大挺直的柱状晶，只有在具有结晶组构和磁织构双重织构时，在磁性能上才会具有明显的各向异性，从而得到高的磁性能。 1.1.1铝镍钴的应用领域 铝镍钴系硬磁合金是以Fe-Ni-Al和Fe-Ni-Al-Co为基的高磁能积、高矫顽力合金，它的主要成分为Fe、Ni和Al，在加入Co、Cu或(和)Mo、Ti等元素，是经适当的热处理或者定向结晶出来而得到各向异性的永磁合金。铸造铝镍钴磁钢属于沉淀硬化磁钢，具有磁滞回线，可用于磁滞马达中，且是当代主要应用的两类金属硬磁合金之一。 磁性材料的金属成份的构成不同，磁性能也不同，从而用途也不同。在永磁性材料中，铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温度可高达600?以上。铝镍钴具有高的磁通密度，良好的时间稳定性，耐高温、耐腐蚀性是它的一大优点。铝镍钴主要被应用在马达、传感器、医疗仪器、手动工具、高音喇叭和各种 [1]仪表上。 ? 音响磁体 对于许多音响设备而言，AlNiCo磁体扬声器由于其完备的音律特性，被公认为是品质优良的磁体，AlNiCo磁体所产生的音律特性—甜美的高音、平滑的中音以及柔软的低音是铁氧体和稀土永磁扬声器磁体所不能企及的。因此，AlNi-Co扬声器磁体应当在高品质的音响工业中仍占主导地位。 ? 仪表磁体 AlNiCo磁体具有优良的环境稳定性和使用可靠性,作为计量仪表所用的磁体有90%左右仍然是AlNiCo磁体，特别是8类磁体。 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 ? 粘结AlNiCo磁体 应用于长寿命电度表是一项极富成就的创新，这种用于磁推轴承的磁体由于其高的稳定性和低的阻力，在电表中起着重要作用，中国电表的更新换代，将使磁推轴承赋予生机勃勃的前景。 ? 小型化AlNiCo磁体 将大量应用于通讯等领域,如手机的转换开关，蜂鸣器及其它传感器等，现在已经能生产出0.08g重的小型环形磁体，由于AlNiCo优良的温度特性，也将在这些领域占主导地位。 ? 高性能AlNiCo磁体 该磁体仍广泛用于军事工业，如发动机、瞄准器、调速仪表。由于AlNiCo磁体在550?时仍能正常使用，因此在某些特殊应用环境下，仍是AlNiCo唱主角。 1.1.2铝镍钴的生产工艺类型及特点 铝镍钴永磁有两种不同的生产工艺:铸造和烧结。 铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，与铸造工艺相比，烧结产品局限于小的尺寸，其生产出来的毛坯产品尺寸公差小，铸造可加工性好。烧结产品的磁性能要略低于铸造产品，但可加工性要好。铸造铝镍钴工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，强度高，抗腐蚀能力强，具有良好的温度稳定性，最高工作温度可达600?以上。 1.2 铝镍钴的定向凝固 定向凝固是在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。自1965年美国普拉特?惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。定向凝固技术可以较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，获得柱晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，因而自它诞生以来得到了迅速发展，并逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。 1.2.1定向凝固理论 铸件定向凝固需要两个条件:首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固 [2]-液界面;其次，晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热，同时在靠近固-液界面的熔液中应造成较大的温度梯度。这是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。 获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。伴随着对热流控制(不同的加热、冷却方式)技术的发展，定向凝固技术经历了传统定向凝固技术和新型 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 定向凝固技术的发展。 1.2.2定向凝固生产工艺类型及特点 ? 传统定向凝固技术 传统的定向凝固技术主要有发热剂法(EP法)、功率降低法(PD法)、高速凝 [3]固法(HRS法)、液态金属冷却法(LMC法)等。 1)发热剂法(EP法) 这是最原始的定向凝固方法，金属熔体内的温度梯度较小，单向传热条件不易保证，凝固一旦开始便无法对其凝固过程进行控制。但是这种方法具有工艺简单、成本低的特点，所以适用于小型的定向凝固实验与生产。 2)功率降低法(PD法) 发展于20世纪60年代。通过调整上下感应圈的工作状态在金属熔体内形成自下而上的温度梯度。这种方法在凝固过程中金属熔体内的温度梯度G不断减小，L柱状晶在高度上的粗化比较严重、设备复杂、不易控制，也只适合于在120mm以下的定向凝固铸件。 3)高速凝固法(HRS法) 在稳定获得柱状晶生长的前提下，提高其冷却速度。它的最大特点是在凝固速度快的同时，铸件从下到上可获得致密均匀的柱状晶组织，控制并不困难。已经成为人们设计制造定向凝固装置时最常用的参考装置之一。 4)液态金属冷却法(LMC法) 这种方法主要特点在于冷却介质为低熔点的液态金属，所以其冷却强度大而均匀。但设备复杂，操作麻烦，有时低熔点金属可能会污染定向凝固的金属或合金，是人们追求高温度梯度、快冷却速度的必要方法。 表1.1 不同凝固方法的主要工艺参数 项 目 PD HRS LMC 温度梯度/(K/cm) 7—11 26—30 73—103 生长速度/(cm/h) 8—12 23—27 53—61 冷却速度/(K/h) 90 700 4700 局部凝固时间/min 85—88 8—12 1.2—1.6 ? 新型定向凝固技术 为了进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，研究者在传统定向凝固技术的基础上，吸收了其它凝固技术如快速 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 [4]凝固等的优点，开发出了一些新的定向凝固技术。 1)超高温度梯度定向凝固 这种方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。该定向凝固技术，最高温度梯度可达1300K/cm，最大冷却速度可达50K/s，凝固速率可在6,1000μm/s 内调节。但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，从而提高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速率提高有限，一般很难达到快速凝固。 2)深过冷定向凝固(SDS) 采用玻璃净化和过热相结合的净化方法，获得合金熔体的热力学深过冷，并利用过冷度的遗传性，将熔体深过冷与定向凝固相结合，使熔体在固液界面前沿液相中温度梯度G<0的条件下凝固。由于深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很L 短，因此可大幅度提高生产效率，同时可获得改善的组织和性能。但目前深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着不少需要解决的问题。 3)电磁约束成形定向凝固(DSEMS) 电磁约束成形定向凝固技术是在电磁场与温度场及其耦合作用的基础上，将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合，利用感应线圈代替传统的结晶器，依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束成形的无模连续铸造技术。可以实现高熔点、大密度合金的无污染或低污染约束成形，对于诸如钛合金、高温合金、难熔金属、高合金钢、各类金属间化合物以及其它难加工成形先进材料的制备具有特别重要的意义。但电磁约束成形定向凝固涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。 4)激光超高温度梯度快速定向凝固 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固，其关键在于:在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度;根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数以获得胞晶组织。现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。 5)连续定向凝固技术(OCC) 采用热铸型代替传统连铸中冷铸型，这样可以消除铸型内壁形核的可能性。同时，由于型外冷却作用，使热流沿着拉铸方向由铸型出口向冷却区传输而形成了定向凝固条件。目前已有许多公司采用该技术开发出产品，而且能够生产出那些用其他制造方法不能或很难生产的特殊工件。不过，在OCC技术中存在着很多可变工艺参数之间的匹配问题，特别是单晶连铸时工艺参数控制要求非常精确。 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 1.3 工艺因素对定向凝固的影响 1.3.1铸型温度 在合金的凝固过程中，应尽可能保持液—固界面以平面方式平稳地沿着凝固方向推进，才能得到粗大挺直的柱状晶，要想保持这种平面凝固， 则界面前沿成 [5]份过冷的大小起着决定性的作用，依照成份过冷的判据，平面生长的条件是: G/R,mCo(1,K)/DK (1.1) TL 式中:—界面前沿液体中的温度梯度，?/m GTL R—晶体的生长速度，m/s M—溶质元素使合金液相线下降的能力，即液向线斜率 Co—溶质元素的含量，% D—溶质在液体中的扩大系数 K—溶质元素的分配系数 1.3.2冷却速度 浇入的合金与水冷结晶器面板接触后，它的热量主要由结晶器面板吸收并由冷却水导出。结晶面板导热速度的快慢决定了合金的冷却速度也即决定了晶体的结晶速度，而结晶速度的大小为: R,(,G,,G)/,L (1.2) SSLL ,,式中:、——分别为固体、液体的导热系数， W/m,?SL GG、——分别为固体、液体的温度梯度，?/m SL 3L——合金的结晶潜热， J/m 3kg/m,——合金密度， 对某种合金而言，只要控制G/R的比值，就可以控制成份过冷的大小，要想得到大的G/R比值，就要提高G值和控制好R值，对此最有效的工艺手段莫过于提高铸型温度来提高G值，实践中只改变铸型温度(其它条件尽量保持不变)， 同一种合金便将得到不同的柱状晶组织。 1.3.3化学元素影响 Ti:在铝镍钴铸造磁钢中加入Ti， 能使合金的矫顽磁力提高，但它是一种细化晶粒的元素，随着含钴量的增加，取得柱状晶组织的难度也增大，当含Ti量大于8,时，此生产条件尚不能制取柱状品铸件，在浇注不含Ti的LNG52磁钢时，铸型温度在1250?下就能得到粗大挺直的柱状晶，在浇注LNG40磁钢时，仅约400?也能很方便地得到下半段为等轴晶，上半段为柱状晶的铸件。 Nb:由于加入Nb有类似于钛改善磁性能的作用而对柱状晶的生成无多大影响，我们在生产中保持5,钛的同时，加入0.8—1.0,Nb，得到了较好的磁性能。 Al:在结构钢的冶炼中，铝不仅作为终脱氧剂也是作为细化晶粒的元素而加 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 入钢内的，在磁钢中是否还有类似的作用呢,实验时在电工钢中加入1.5,以上的铝，浇入1280?左右的铸型中，试件便得到粗大的柱状晶组织， 因而当铝含量较高时，能促进柱状晶的生长。 S、C等微量元素:高Ti、Al磁钢中加入少量的S、Se、Te等可消除外来质点在合金凝固过程中的生核作用，S及其化合物的熔点都低，在凝固过程中，这些低熔点的溶质原子富集在固-液界面上，使这里液体的平衡温度降低，减少了实际过冷度，降底了晶体的生长速度R，在G值不变的情况下，也就提高了G/R值。当合金(Ai+Ti)含量达到37,时，含0.2-0.25,(S+C)，可得到S系或S+C系柱状晶，具有良好的磁性能。 1.3.4冒口高度的影响 由于铸型温度己高出合金熔点约100?，砂型的导热速度比浇入型中的合金液和凝固后的合金低得多，故铸件中心的过冷度大于边缘处而先行凝固。从沿中心轴线纵剖的试样中可看到:铸件底部激冷端中心部位的晶粒要比边缘部细小得多， 细晶粒与超大晶之间，有一条明显的界线，这条界线就是某一时刻合金中的液—固界面形状，在结晶过程中，这个界面不断沿结晶方向向前推进。由于交界线中心部凸起较高，而铸件高度不大，故总是中心部固相线到前边缘部进入冒口区， 因而铸件中心就不像普通砂型铸件那样会产生缩孔、疏松等缺陷。在柱状晶生长过程中，固—液界面前的液体中具有较大的正温度梯度，界面上枝晶伸入液体较短，利于液体向枝晶补缩，故显微疏松大为减少。因而冒口在这里的作用主要不是补缩，而是造成一个有利于柱状晶生长的温度场，也使合金中的夹杂物、气体等能顺利地排入冒口内，为此将冒口高度较普通砂型铸钢件的冒口减少2/3，不但节约了钢水且仍然获得了生长良好的柱状晶和致密的铸件。 1.4 定向凝固过程模拟研究的国内外现状及水平 [6]铸造过程的数值模拟始于20世纪60年代。1962年，丹麦的FORSUND首次使用有限差分法对铸件凝固的传热进行了数值计算;1966年，美国铸造学会传热委员会制定了一项长期规划，拟对铸件凝固电算数值模拟进行系统深入研究;以密歇跟大学R(D(PEHLKE教授为首，于1968年开始铸件凝固数值模拟的研究工作。 在研究中，以显式有限差分、交替稳式差分和显式差分相比较而建立数值模型，并建立了一系列假设条件，所得计算与实测温度对比，绘出了对比曲线，获得了温度场等时线及等温线分布图。研究指出:热物理参数，特别是铸型的热物理参数，对模拟精度影响极大。 在定向凝固中，热流方向和散热都是定向的，避免了晶粒在侧壁形核长大，同时还抑制了晶粒的横向生长，使晶粒相反于热流方向生长。凝固初始阶段，凝 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 固前沿形成大量等轴晶。根据凝固理论，优先长大方向与热流方向平行的晶粒生长速度快于那些取向不利的晶粒，因此那些取向不利的晶粒遭到淘汰，只剩下少数几个主干方向与热流方向大体平行的柱状晶。等轴晶的纵向性能明显高于横向性能，优化了铸件的组织结构，使高温合金的高温强度，蠕变和持久特性，热疲劳性能大幅度提高，使一些有特殊性能要求的铸件的力学性能有了新的飞跃。 1.4.1三维枝晶包膜跟踪法 将铸件剖分成若干个三维小单元体，其中单元体可分为三类:一是“液相单元”，单元体中只包含液相;二是“包膜单元”，是指含有枝状包膜界面的单元体;三是“凝固单元”，这部分是枝晶生长过程中包膜界面已经突破的单元，“凝固单元”体由部分或全部的固相所组成。在铸件凝固过程中，“液相单元”先转变成“包膜单元”，随着“包膜单元”中包膜面积逐渐增加，“包膜单元”被枝晶包膜突破，单元体转变为“凝固单元”。基于枝晶生长的各向异性，在界面法向方向上邻近的“液相单元”相应转变为“包膜单元”。这样可以通过计算每个时刻包膜单元的表 面参数来跟踪枝晶的生长。 三维枝晶包膜跟踪法是由王同敏等研究并应用于合金定向凝固模拟技术的一种新方法，它主要应用于一些对缺陷的存在非常敏感的特殊部件的模拟。孙勇、赵维民等应用此理论方法结合H(Lint提出的瞬时形核模型，考虑枝晶的优先生长方向和枝品尖端的生长动力学，模拟出了二维定向微观组织生长过程。 1.4.2电磁作用下的定向凝固模拟 电磁成形定向凝固是将高温度梯度定向凝固技术与电磁约束成形技术相结合 [7]的铸造新技术。其无坩埚熔化、无接触成形的特点对于熔化和成形活泼金属、高温合金、难熔金属和高纯金属等具有重要的应用价值，与其相关的试验工作、理论计算与数值模拟均受到相当重视。温度场是该课题研究中的关键问题之一，而其中的温度场又是一个多因素作用下的复杂动态平衡温度场。特别是在稳态抽拉条件下同时考虑相变吸热与放热问题而又可直接用于数值模拟推导的导热微分方程还不完善。 侯建平、沈军等从实际物理模型和基本的导热方程出发，考虑了各类内热源、冷却、热质运动，特别是考虑了在抽拉条件下的熔化和凝固的相变潜热，建立了电磁约束成形定向凝固三维非线性复杂温度场的导热微分方程。在该方程的基础上可以根据具体试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 确定对应的边界条件，并通过物性参数的温度内插、外推处理材料非线性问题后对温度场进行模拟计算。牛晓武、赵志龙等采用ANSYS 8(0软件对脉冲磁场作用下的A1—Cu合金熔体的定向凝固磁场分布作了数值模拟，并与试验测量结果进行了比较。訾炳涛、姚可夫通过改变脉冲磁场的强度，利用ANSYS5.5有限元数值模拟软件对铝合金熔体凝固过程中的流场作了数值模拟，模 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 拟结果和试验现象相符合。 1.4.3定向凝固中的相场模拟 相场模型是一种弥散界面模型，通过考虑有序化势和热力学驱动力的综合作 [8]用来建立相场方程。该模型认为固、液相之间是渐变的，即界面具有一定厚度。通过引入一个新的变量—相场变量Φ(r，t)来描述不同的相，将整个计算域作为一个整体，避免了界面跟踪带来的困难，已被广泛用于模拟相变过程中的组织演化问题。 1993年Kobayashi首先提出纯物质枝晶生长的相场模型以后，Wheeler等人利用热力学一致条件建立WBM模型。Karma与Rappel对相场模拟进行了薄界面渐进分析，提出了固液界面厚度可大于毛细长度的概念，建立了可模拟大过冷度范围的新相场模型。此外，Karma还建立了定向凝固时含有第三相组元的共晶合金的相场模型。在国内，近年来对定向凝固相场法模拟也取得了长足进展。于艳梅等采用WBM模型模拟了二元合金等温近似定向凝固以及非等温定向凝固的固液 [9]界面形态演变。郭景杰等采用相场法模拟了Ti55A145二元合金定向凝固固液界面形态的演变过程。李梅娥等采用WBM模型耦合抽拉速度模拟了Ni—Cu合金定向凝固的界面形态演变、溶质浓度分布等。 相场模型的计算量较大是阻碍实际铸件三维组织模拟的一个重要因素，采用自适应有限元求解技术提高求解效率，改进旋转网格和移动网格法，消除由直接离散求解算法引起的非物理亚稳态，避免数值各向异性，将先进的计算技术应用于微观组织模拟以减小算量、提高计算能力、扩大可模拟的尺度是微观组织模拟的一个发展趋势。 1.5 拟研究的主要问题 从20世纪末到21世纪初，定向凝固工艺模拟在很多研究者孜孜不倦的努力中， [10]取得了重要的进步和很大的突破，但还存在着许多问题。例如，理论模型大多数都建立在稳定生长的基础上，没有考虑对流、偏析等因素的影响;模拟工作尤其是定向凝固的模拟还停留在初始阶段，有待于进一步发展。国内在铸钢定向凝固过程中温度场的有限元模拟研究方面所做的工作很少。就公开发表的文献看，目前只有国营上海群力铸锻厂的沈伯奎分析了工艺因素、冒口高度对铝镍钴磁钢定向凝固组织的影响，并通过系统实验进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 。同时对三维铸件的模型数值分析方面可查的只有西北工业大学张克福、毛协民、傅恒志用边界元法对三维叶片瞬态过程进行了数值模拟。 也就是说目前国内对铸钢定向凝固过程中温度场的有限元模拟研究大多数都 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 1绪论 还是通过现场实际温度测定和简单的数学计算。然而数学计算是在种种假设条件支撑下建立的一种近似理想状态下的模型，计算时对很多条件进行了限制，其中涉及的如导热系数等这些随温度变化的材料物性参数在计算过程中皆设定为常数。有限元法则能很好地适应复杂的几何形状、复杂材料特性和复杂的边界条件，是一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。它可以尽可能多的减少假设条件，并且可以把各种材料随温度变化的物性参数加载到计算模型中，使模拟结果尽可能接近现场实际情况，从而更好地解决现场生产中出现的问题。 本文就是采用有限元模拟的方法，对铝镍钴的定向凝固进行模拟。对各种材料的物性参数进行了优化，使几何模型的建立更加接近实际，从而更好的再现定向凝固的全过程，得出能够指导生产实践的工艺条件。本文以获得铝镍钴磁钢定向凝固过程中最佳柱状晶组织为主要目的，通过使用ANSYS大型有限元软件对铝镍钴磁钢定向凝固过程的温度场的模拟，模拟铝镍钴磁钢定向凝固过程中铸件及铸模的瞬态温度场，从而得出各个主要因素对定向凝固中柱状晶形成的影响，分析浇铸过程中热损失的主要途径及钢水浇铸温度、结晶器冷却速度、模型烘烤温度、完全凝固时间对柱状晶形成的影响规律，最终确定不同钢水浇铸温度、结晶器冷却速度、模型烘烤温度、完全凝固时间与柱状晶生长的定量关系，确定最优值。为工业条件下取得具有结晶结构和磁结构双重结构的产品的生产工艺提供理论依据，使之能稳定地制取性能比较理想的柱状晶组织和高磁性能铸件。 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 2 物理模型建立及初始设定 2 物理模型建立及初始设定 在使用ANSYS对温度场进行有限元模拟前，必须首先确定其初始条件，进而建立其初始温度场，以其作为下一步传热过程瞬态温度场有限元模拟的基础。而这一步骤的工作也决定了计算结果是否能够真实反映实际物体的传热过程，进而为传热过程重要参数的研究分析提供可靠依据。 ANSYS 8.0是一个大型通用工程结构分析有限元软件，具有良好的人机交换界面，可进行线性结构分析、动力分析、稳态和瞬态传热分析、能很方便的实现热力耦合计算;程序的非线性计算模块与线性计算模块独立，可以完成几何非线性、材料非线性等问题的求解。ANSYS 8.0的热分析功能，一般包含于 ANSYS/Multiphysics、ANSYS/Mechanical、ANSYS/Thermal、ANSYS/FLOTRAN、ANSYS/ED五种产品模块中，其中ANSYS/FLOTRAN 不含相变热分析，本文在有限元模拟计算过程中使用的是ANSYS/Thermal 模块。ANSYS 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算物体内部各节点的温度，并导出其他热物理参数。运用ANSYS软件可进行热传导、热对流、热辐射、相变、热应力以及接触热阻等问题的分析求解。 ANSYS提供了用于热分析的单元大约有40种，其中纯粹用于热分析的单元有LINK31—LINK34、PLANE55、PLANE77、SOLID70、SOLID90、SHELL57、MASS71、SURF151等14种。其中PLANE55是针对二维实体中四节点四边形单元的传热计算模块，SLOID70是针对三维实体中八节点六面体单元的传热计算模块。在ANSYS的模型中利用热边界元指定边界条件，通过定义辐射和对流边界，可以模拟实际工况下的辐射和对流换热。软件提供了对辐射换热过程的非线性迭代计算功能，因此可以获得较高的计算精度。利用ANSYS软件对进行有限元模拟，可大大提高温度场的计算结果的准确性。本文以铝镍钴磁钢的定向凝固过程为研究对象，根据现场实际数据和相关假设条件建立有限元传热模型，利用有限元模型对加载不同条件时的温度场变化情况进行模拟，以求出合理的参数，其结果可为现场生产实践提供重要的理论依据。 而本章的主要内容就是确定:建立有限元模型、确定求解所需要的各项热物性参数，为下一步的定向凝固过程瞬态温度场的有限元模拟做准备。 2.1 研究对象及几何尺寸 经过对现场工艺用铸模的实际测量，现将铸模几何模化(如图2.1)。 模型化铸模关键几何尺寸为:铸型外径0.28m，铸型内径0.232m，冒口高度0.028m，底部冷却用45钢板厚0.01m，内部铸件0.04m×0.025m×0.072m共9个。 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 2 物理模型建立及初始设定 图2.1 铝镍钴磁钢定向凝固用铸模 对现场工艺所有铸模进行成分分析，得到了铸模所用砂型成分及其各成分的具体含量见表2.1。 表2.1 砂型成分 成分K80/100 矾土砂 K270 矾土粉 陶土 水(另加) 含量(%) 60 34 6 7 铸造所用铝镍钴磁钢钢水成分见表2.2。为了便于计算，从中剔除S、C对铝镍钴定向凝固的影响，将其余成分化归为100%。 表2.2 铝镍钴磁钢钢水成分 成分 AlNi CoCu Ti NbS C Fe 总计 0.15-0.05-实际含1.0 其余 100% 6.3 14.5 34.5 3.2 5.00.20 0.08 量(%) 化归后6.3 14.6 34.73.2 5.0 1.0 —— 35.2 100% 含量(%) 2.2 铸型有限元模型的初始设定 2.2.1各种材料物性参数的设定 铸型的物性参数主要有导热系数、密度、比热、焓值等，其中导热系数和焓值是温度的非线形函数，随温度变化。特别是铸件焓值对定向凝固的结晶前沿形状影响很大，如果不考虑这些变化，会使计算结果的误差较大。因此，为保证模拟结果的可靠性，在本论文中所涉及的导热系数、比热、焓值都以温度函数的形式输入。用MATLAB进行拟合得到铝镍钴磁钢钢水及底部冷却用钢板的导热系数随温度变化的方程式分别为式(2.1)和式(2.2)。 ,52,,2.2，10T,0.046T，95.12 (2.1) PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 2 物理模型建立及初始设定 ,52,,4.74，10T,0.05T，48.4 (2.2) 式中，为导热系数，;T为温度，ºC. 其中，铝镍钴磁钢的导热系数随,W/m,? 温度变化的关系如图2.2所示，底部冷却用钢板的导热系数随温度变化的关系如图2.3所示。 图2.2 铝镍钴磁钢导热系数与温度关系 图2.3 底部冷却用钢板导热系数与温度关系 由于实验室没有钢水物性参数测定设备，而相关文献中对该类钢水的描述仅限于机械性能参数，对热物性参数没有任何描述，为了保证模拟情况的可靠性，本文将铝镍钴钢水成分中的S、C元素剔除，其他元素按比例化归为100%(表2.2)， PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 2 物理模型建立及初始设定 则铝镍钴磁钢的热物性参数可用纯物质按比例得到。铝镍钴磁钢中各种成分的物性参数及经化归后用纯物质按比例得到的铝镍钴磁钢的物性参数见表2.3。 表2.3 铝镍钴磁钢物性参数 导热系数 EMBED Equation.3 ( EMBED Equation.3 密度 比热 EMBE )材料 EMBED 1001200 20100 200 300 400 600 800 D Equatio0 0 Fe 7870 455 83.581.1 72.1 63.5 56.5 50.3 39.4 29.629.4 31.6 Equation.3 n.3 Al 2710 902236240 238 234 228 215 213 210 210 210 Ni8900 444 94 91.4 82.8 74.2 67.364.6 69.0 73.3 77.6 81.9 Co 8832 38672 69.4 6865 60 59 61 61 63 64 Cu8930 414401 398 393 389384379 366 352 350350 Ti4500 52022.4 2220.719.9 19.5 19.4 19.9 20.1 20.1 20.1 Nb8570 272 53 53 53 53 5353 53 53 53 53 LNG72 7902467 96.495.1 90.7 86.182.2 79.1 74.7 71.4 72.0 73.4 铝镍钴磁钢的焓在不同温度下的值见表2.4。 表2.4 铝镍钴磁钢的焓值 PAGE 10 重庆科技学院本科生毕业论文 2 物理模型建立及初始设定 PAGE 10