基于有限元法的定向凝固过程温度场数值模拟的研究

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1、分类号学号M201370824学校代码10487密级硕士学位论文基于有限元法的定向凝固过程温度场数值模拟的研究学位申请人：曹流学科专业：材料工程指导教师：廖敦明教授答辩日期：2015年05月19日AThesisSubmittedinPartialFullyFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringNumericalSimulationofTemperatureFieldduringDirectionalSolidificationBasedonFiniteElementMethodCandidate:

2、CaoLiuMajor:MaterialsEngineeringSupervisor:Prof.LiaoDunmingHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2015独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授

3、权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要在航空航天领域中，主要采用定向凝固工艺生产涡轮叶片，而高性能的涡轮叶片一直是阻碍我国实现“大飞机”梦的最大障碍。实际定向凝固过程是十分复

4、杂的材料成形过程，而且需要特别考虑辐射换热的影响。采用定向凝固温度场模拟技术，能够对铸件在凝固过程中的温度场演变过程进行有效的分析，预测可能出现的缺陷，为优化定向凝固工艺提供理论指导。本文对有限元定向凝固温度场数值模拟所涉及的各个方面进行了深入研究，包括定向凝固温度场数学建模、有限元数值求解、液态金属冷却液换热处理和定向凝固温度场分析判据等，开发了有限元定向凝固温度场数值模拟系统。首先，由于辐射换热在定向凝固温度场数值模拟中需要重点考虑，采用射线追踪法对其进行处理，并结合计算机图形学得到辐射换热边界条件的控制方程。通过对定向凝固过程进行一系列相对合理的假设和简化，建立了定向凝固过

5、程的温度场模型，根据有限元数值计算理论，结合定向凝固过程温度场的控制方程和边界条件，详细地推导出定向凝固过程温度场数值模拟的有限元离散过程和求解方法。其次，采用等效比热法和温度校正方法共同处理铸件潜热，使其满足能量守恒原则。针对定向凝固工艺的随型型壳边界，采用智能化查找型壳内外表面的算法，自动区分各材质的内外表面，避免用户手动选择的繁琐操作，并采用盒子树法处理各个接触表面的对流换热边界条件，能够在不过多要求网格质量的基础上，较为合理地处理各材质间的对流换热边界条件。由于LMC（LiquidMetalCooling）工艺中型壳会逐渐浸入液态金属冷却液，为了避免直接求解所带来的网格重

6、新划分难题，采用随时间和温度变化的等效换热系数来处理型壳与冷却液间的换热。实际定向凝固过程中需要避免等轴晶即杂晶的出现，为了对HRS（HighRateSolidification）和LMC定向凝固温度场模拟结果进行分析，采用GL/判据来预测铸件可能出现杂晶的部位。同时，为了保证有限元模拟系统的计算效率，提出局部矩阵的概念，在有限元程序处理过程中分开组装各材质的计算矩阵。通过实现上述各关键技术，开发了有限元I华中科技大学硕士学位论文HRS和LMC定向凝固温度场数值模拟系统。最后，分别采用温度场数值模拟系统和通用化有限元平台ANSYS计算典型工字件的空冷过程温度场，对比发现两者的计算

7、结果基本一致，验证了本文温度场数值模拟系统中有限元算法的准确性。采用温度场数值模拟系统计算一组熔模铸造工艺的温度场，其中初始方案由于阀盖件中部散热条件差，模拟结果预测其中部会出现缩孔缩松缺陷，通过实际生产得以验证。改进工艺之后，加快了阀盖件中部的降温速率，消除了孔松缺陷，实际也生产出合格的阀盖件，验证了温度场数值模拟系统的实用性。采用定向凝固温度场数值模拟系统对带冠涡轮叶片分别进行HRS和LMC工艺模拟，并通过设置不同的抽拉速度进行多方案分析，模拟结果与实际过程相吻合，证明了本文