【正文】 實(shí)驗(yàn)。這個過程中，鑄造商業(yè)化軟件越來越成熟，很多國家的高校及科研單位都開發(fā)了自己的鑄造專用軟件。在此次大會上， 9個研究小組對鑄件充型過程模擬計算, 驗(yàn)證各自軟件的精確性。上世紀(jì)九十年代以來,充型過程模擬方法越來越多,主要有包括MAC , SMAC , SOLA , SOLAVOF , COMMIX , SIMPLE 和SIMPLER 等,模型也從層流到紊流，自由表面的模擬也從二維幾何模型到三維幾何模型。流速分布結(jié)果和流動模式的預(yù)測都比較準(zhǔn)確。 鑄造過程數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 充型過程數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1) 鑄造充型過程流場數(shù)值模擬國外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢80年代開始，鑄造充型數(shù)值模擬在很多科研院所開始進(jìn)行，[3]，開辟了充型過程研究的新領(lǐng)域。雖然人們越來越重視充型過程數(shù)值模擬，但由于充型過程控制方程多，計算量大，涉及的物理化學(xué)過程多，而且迭代結(jié)果不容易收斂，特別是自由表面的模擬難度較大，因而充型過程的數(shù)值模擬仍然比較困難。所以，全過程考慮充型、凝固過程，對充型過程流場、溫度場及金屬凝固現(xiàn)象一并考慮，既可以為凝固過程提供準(zhǔn)確的溫度初始條件，也可以對“卷氣”等澆注產(chǎn)生的缺陷作出預(yù)測。鑄造過程數(shù)值模擬發(fā)展至今，實(shí)例研究多集中在凝固過程的模擬上，缺陷預(yù)測基本上都是對縮孔、縮松缺陷。充型過程是鑄造的開始，傳熱、傳質(zhì)、沖擊破壞等物理現(xiàn)象會在此過程中發(fā)生，這與鑄件質(zhì)量有著密切聯(lián)系。傳統(tǒng)的鑄造過程數(shù)值模擬常常把充型過程和凝固過程分開計算，凝固過程溫度場數(shù)值模擬已比較成熟，縮孔縮松的判據(jù)也較多，但以往凝固過程溫度場計算多以澆注溫度為初始溫度，而實(shí)際上在充型結(jié)束時形成的往往是一個不均布的溫度場，這對凝固過程數(shù)值計算的結(jié)果會產(chǎn)生很不利的影響。它包括充型過程和凝固過程兩部分，充型過程中，流動不平穩(wěn)可能產(chǎn)生夾砂、卷氣等缺陷；金屬液進(jìn)入型腔的速度（或流量）過小，充型時間過長，容易產(chǎn)生冷隔或澆不滿；如果金屬液速度過大則容易出現(xiàn)噴射現(xiàn)象，以及金屬夾雜或鐵豆，還可能使型壁破損，產(chǎn)生砂眼等缺陷。所以在鑄造工藝設(shè)計階段，用計算機(jī)模擬鑄件的充型、凝固過程，對可能產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行預(yù)測，改進(jìn)鑄造工藝成為一種行之有效的途徑。關(guān)鍵詞：鑄造 充型 凝固 溫度場 流場 熱應(yīng)力場 數(shù)值模擬 AbstractCasting process simulation is the current hot research of materials processing field. Most current researches process do filling and solidification process simulation separately, and implemented on cast professional software. Temperature field results of mold filling process numerical analysis can not be used to predict the defects, which provide no practical value for engineering。用ANSYS Mechanical模塊實(shí)現(xiàn)了鑄造充型凝固過程流程、溫度場、熱應(yīng)力場的計算，并進(jìn)行了縮孔、縮松、熱裂的缺陷預(yù)測。因此，研究在通用模擬軟件上進(jìn)行鑄造充型與凝固全過程數(shù)值模擬，對鑄造數(shù)值模擬的工程實(shí)用化水平的提高有著重大意義。 基于ANSYS的鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬摘 要鑄造過程數(shù)值模擬是當(dāng)前材料加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前進(jìn)行的研究多將充型過程和凝固過程分開進(jìn)行，且多在鑄造專業(yè)軟件上實(shí)現(xiàn)。只進(jìn)行充型過程數(shù)值分析，得到的溫度計算結(jié)果不能預(yù)測缺陷，沒有工程實(shí)用價值；只進(jìn)行凝固過程數(shù)值分析，溫度初始條件多建立在“瞬間充型、溫度均布”假設(shè)的基礎(chǔ)上，從而難以得到可靠的溫度場、應(yīng)力場計算結(jié)果，而建立在溫度場結(jié)果基礎(chǔ)上的縮孔、縮松、熱裂判斷也難以準(zhǔn)確，尤其是在尺寸上厚大的零件。本文研究了鑄造充型和凝固過程各控制方程的離散，用ANSYS Fluent軟件包實(shí)現(xiàn)了鑄造充型過程熱流耦合計算及凝固過程溫度場計算，得到了與實(shí)驗(yàn)相符的計算結(jié)果。主要研究工作如下： 研究了鑄造充型過程各控制方程的有限體積法離散方法； 研究了鑄造凝固過程各控制方程的有限元法離散方法； 研究了ANSYS Fluent中邊界條件、初始條件、材料參數(shù)、紊流模型、相變等設(shè)置方法，并實(shí)現(xiàn)充型過程熱流耦合和凝固過程的溫度場計算； 研究了ANSYS Mechanical中邊界條件、初始條件、材料參數(shù)、紊流模型等設(shè)置方法，并實(shí)現(xiàn)充型過程熱流耦合計算，并用熱彈塑性力學(xué)模型，耦合計算了凝固過程溫度場和應(yīng)力場； 比較了有限體積法(FVM)和有限元法(FEM)在熱流耦合計算的過程及結(jié)果，得出有限體積法在求解流動和溫度上速度較快的結(jié)論； 選擇合適的判據(jù)，對縮孔、縮松、熱裂缺陷進(jìn)行了預(yù)測。 numerical analysis of solidification process based on the assumption moment of filling, temperature uniform, which can cause inaccurate results of the temperature field and stress field, and the shrinkage, thermal cracking defects predict will inaccurate too, especially heavy castings. Therefore, the study on the whole process of filling and solidification simulation on general simulation software has great significance to raise practical engineering level of casting numerical simulation.In this paper, discrete equations of filling and solidification process were ANSYS Fluent software package coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process, which consistent with the experimental ANSYS Mechanical module calculate temperature field, thermal stress calculation of casting process, and predict shrinkage, shrinkage and thermal cracking defects. The main work is as follows:1. Use FVM discrete control equations of mold filling process.2. Use FEM discrete control equations of solidification process.3. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Fluent, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process and temperature field of solidification process.4. Studied setting method of boundary conditions, initial conditions, material properties, turbulence model in ANSYS Mechanical, and coupled calculate temperature field and flow field of mold filling process. And use Thermal elasticplastic mechanical model, coupled calculated temperature field and temperature field.5. Comparied the process and results of FVM and FEM, and obtained conclusion that FVM is faster than FEM in flow field and temperature field calculation.6. Select the appropriate criterion to predict shrinkage, hot crack defects.Key words：Casting, Mold Filling, Solidification, Temperature Field, Flow Field, Stress Field Numerical Simulation 目 錄第一章 緒論 1 引言 1 鑄造過程數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 2 充型過程數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 凝固過程數(shù)值模擬國內(nèi)外發(fā)展概況 3 目前鑄造數(shù)值模擬存在問題及課題提出 4 充型過程數(shù)值模擬方法 5 充型過程流場模擬方法簡介 5 充型過程自由表面處理方法簡介 5 充型過程數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 6 凝固過程數(shù)值模擬方法 6 凝固過程熱應(yīng)力計算的力學(xué)模型 6 熱力耦合常用數(shù)值計算方法 6 ANSYS平臺軟件簡介 7第二章 鑄件充型過程流場與溫度場耦合計算 8 控制方程 8 連續(xù)性方程 8 動量守恒方程 8 能量方程 9 紊流模型及方程 9 控制方程的有限體積法離散形式 10 流場模擬的各種數(shù)值方法比較 10 計算區(qū)域離散 11 動量方程的離散 12 連續(xù)性方程的離散 12 VOF法自由表面函數(shù)方程的離散及自由表面的確定 13 能量方程的離散 14 流場與溫度場耦合計算的流程圖 15第三章 凝固過程數(shù)值分析 16 凝固過程溫度場數(shù)學(xué)模型及定解條件 16 數(shù)學(xué)模型 16 定解條件 16 凝固潛熱的處理 18 瞬態(tài)導(dǎo)熱控制方程的有限元解法 18 三維瞬態(tài)溫度場有限元法/有限體積法計算流程 19 鑄造凝固過程應(yīng)力場數(shù)值模擬 20 熱彈塑性模型的本構(gòu)方程 20 熱彈塑性模型的有限元算法 23第四章 Benchmark標(biāo)準(zhǔn)試件鑄造過程流場與溫度場耦合計算 25 25 充型過程流場與溫度場計算 26 計算模型 26 計算過程及結(jié)果對比 26 凝固過程溫度場計算 29 邊界條件及相變設(shè)置 30 求解結(jié)果及對照 30 小結(jié) 31第五章 基于ANSYS Mechanical鑄造過程流場、溫度場、應(yīng)力場計算 32 充型過程流場與溫度場耦合計算 32 計算模型及材料參數(shù) 32 邊界條件與初始條件 33 充型過程求解結(jié)果及分析 33 凝固過程溫度場與應(yīng)力場耦合計算 35 材料參數(shù) 35 計算結(jié)果及分析 36 缺陷預(yù)測 39 卷氣和澆不足缺陷預(yù)測 39 凝固過程縮孔縮松判定 39 熱裂的預(yù)測 41 小結(jié) 42第六章 有限體積法和有限元法在流場、溫度場計算比較 43 袁浩揚(yáng)水力模擬實(shí)驗(yàn)簡介 43 網(wǎng)格離散模型及邊界條件 43 計算結(jié)果及比較 44 比較結(jié)論 45第七章 結(jié)論與展望 46 結(jié)論 46 展望 46參考文獻(xiàn) 48發(fā)表論文和科研情況說明 51致 謝 52第一章 緒論 引言鑄造是重要的零件成型方法，傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)普遍存在著鑄件質(zhì)量差、廢品率較高等問題，鑄件生產(chǎn)多采用試錯法，對于大型鑄件或新產(chǎn)品的開發(fā)來說，周期較長、浪費(fèi)大，不能保證鑄件質(zhì)量[1]。鑄造是直接將液態(tài)金屬澆入鑄型、流經(jīng)澆道、進(jìn)入型腔、充滿型腔并冷卻，得到需要的形狀結(jié)構(gòu)并具有一定力學(xué)性能的零件的過程[2]。鑄造凝固過程溫度下降過快可能會產(chǎn)生縮孔縮松；而應(yīng)力場的分布可以預(yù)測變形，熱裂等缺陷，也可為補(bǔ)縮工藝提出建議。所以對鑄造充型和凝固全過程溫度場模擬得到的溫度場是比較理想的，對縮孔縮松的判定也必將更加準(zhǔn)確。充型情況不利，會產(chǎn)生夾渣、冷隔、澆不足、及卷氣、砂眼等很多缺陷。且傳統(tǒng)凝固過程數(shù)值模擬是建立在“瞬間充滿”假設(shè)基礎(chǔ)上，鑄件各部分初始溫度均為澆注溫度，對厚大鑄件來說，這種假設(shè)會帶來較大的計算誤差。另外，流場計算可以得到流動的速度、壓力變化規(guī)律，優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)設(shè)計，為鑄造工藝設(shè)計提出改進(jìn)意見。但隨著計算機(jī)應(yīng)用水平、數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者對鑄造充型過程數(shù)值模擬領(lǐng)域做出了突出的貢獻(xiàn)。1987年以前是充型過程的數(shù)值模擬的初始階段，所做模擬大多是模型簡單的二維鑄件，且為層流流動。[4]等人于1986年模擬了帶有三個輻條的滑輪。1995 年,第七屆鑄造、焊接和凝固過程模擬會議上, ( The Benchmark Test ) 結(jié)果[5]。結(jié)果表明, 大部分計算結(jié)果與試驗(yàn)接近, 并均可預(yù)報卷氣缺陷形成, 鑄件充型過程中溫度場變化趨勢及局部凝固位置預(yù)測較為準(zhǔn)確, 反映了速度場計算已趨成熟。進(jìn)入二