基于有限元法的定向凝固過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的研究.pdf

1、在航空航天領(lǐng)域中，主要采用定向凝固工藝生產(chǎn)渦輪葉片，而高性能的渦輪葉片一直是阻礙我國(guó)實(shí)現(xiàn)“大飛機(jī)”夢(mèng)的最大障礙。實(shí)際定向凝固過程是十分復(fù)雜的材料成形過程，而且需要特別考慮輻射換熱的影響。采用定向凝固溫度場(chǎng)模擬技術(shù)，能夠?qū)﹁T件在凝固過程中的溫度場(chǎng)演變過程進(jìn)行有效的分析，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷，為優(yōu)化定向凝固工藝提供理論指導(dǎo)。本文對(duì)有限元定向凝固溫度場(chǎng)數(shù)值模擬所涉及的各個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，包括定向凝固溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)建模、有限元數(shù)值求解、液態(tài)金屬冷

2、卻液換熱處理和定向凝固溫度場(chǎng)分析判據(jù)等，開發(fā)了有限元定向凝固溫度場(chǎng)數(shù)值模擬系統(tǒng)。
　　首先，由于輻射換熱在定向凝固溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中需要重點(diǎn)考慮，采用射線追蹤法對(duì)其進(jìn)行處理，并結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)得到輻射換熱邊界條件的控制方程。通過對(duì)定向凝固過程進(jìn)行一系列相對(duì)合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化，建立了定向凝固過程的溫度場(chǎng)模型，根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算理論，結(jié)合定向凝固過程溫度場(chǎng)的控制方程和邊界條件，詳細(xì)地推導(dǎo)出定向凝固過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的有限元離散過程和求解方

3、法。
　　其次，采用等效比熱法和溫度校正方法共同處理鑄件潛熱，使其滿足能量守恒原則。針對(duì)定向凝固工藝的隨型型殼邊界，采用智能化查找型殼內(nèi)外表面的算法，自動(dòng)區(qū)分各材質(zhì)的內(nèi)外表面，避免用戶手動(dòng)選擇的繁瑣操作，并采用盒子樹法處理各個(gè)接觸表面的對(duì)流換熱邊界條件，能夠在不過多要求網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上，較為合理地處理各材質(zhì)間的對(duì)流換熱邊界條件。由于LMC（Liquid Metal Cooling）工藝中型殼會(huì)逐漸浸入液態(tài)金屬冷卻液，為了避免直接求

4、解所帶來(lái)的網(wǎng)格重新劃分難題，采用隨時(shí)間和溫度變化的等效換熱系數(shù)來(lái)處理型殼與冷卻液間的換熱。實(shí)際定向凝固過程中需要避免等軸晶即雜晶的出現(xiàn)，為了對(duì)HRS（High Rate Solidification）和LMC定向凝固溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，采用G/L判據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)鑄件可能出現(xiàn)雜晶的部位。同時(shí)，為了保證有限元模擬系統(tǒng)的計(jì)算效率，提出局部矩陣的概念，在有限元程序處理過程中分開組裝各材質(zhì)的計(jì)算矩陣。通過實(shí)現(xiàn)上述各關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了有限元 HRS和L

5、MC定向凝固溫度場(chǎng)數(shù)值模擬系統(tǒng)。
　　最后，分別采用溫度場(chǎng)數(shù)值模擬系統(tǒng)和通用化有限元平臺(tái)ANSYS計(jì)算典型工字件的空冷過程溫度場(chǎng)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者的計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文溫度場(chǎng)數(shù)值模擬系統(tǒng)中有限元算法的準(zhǔn)確性。采用溫度場(chǎng)數(shù)值模擬系統(tǒng)計(jì)算一組熔模鑄造工藝的溫度場(chǎng)，其中初始方案由于閥蓋件中部散熱條件差，模擬結(jié)果預(yù)測(cè)其中部會(huì)出現(xiàn)縮孔縮松缺陷，通過實(shí)際生產(chǎn)得以驗(yàn)證。改進(jìn)工藝之后，加快了閥蓋件中部的降溫速率，消除了孔松缺陷，實(shí)際也生產(chǎn)出合