7050铝合金大圆锭半连铸凝固过程数值模拟及裂纹倾向性分析

论文摘要

半连续铸造过程是一个动态凝固过程,铸锭的凝固涉及复杂的物理变化,其中包括传热、质量传输和相变等,各种铸造缺陷如缩孔疏松、裂纹、变形等都是在凝固过程中形成的。高合金成分大规格尺寸的铸锭在铸造过程中,往往容易产生裂纹缺陷。利用现代数值模拟技术对铸锭裂纹产生的条件开展研究,有助于寻找其控制调节机制,获得高质量的无缺陷铸锭。本文首先概述了高强铝合金及其大铸锭半连铸的研究进展情况,总结了铸锭裂纹缺陷及裂纹判据的研究情况,分析了凝固过程温度场、应力场数值模拟的发展及今后的发展趋势,建立了瞬态温度场、热应力场弹塑性有限元法数值模拟的模型。针对目前缺乏7050铝合金高温材料性能参数,以及出于数值模拟的需要,作者对7050铝合金高温情况下的相应材料参数进行了实验测量,并建立了其材料性能参数数据库。其次,本文基于大型铸造模拟软件ProCAST建立了半连铸的热—力耦合模型;定义了半连铸过程复杂的边界条件,并通过热焓值代替比热和潜热值来处理凝固潜热的释放,对半连铸凝固过程进行了仿真;分析了不同工况下温度场、应力场的分布规律和液穴形状,应用现有的裂纹判据对各种铸造裂纹的产生进行了分析,并根据分析结果,提出了消除铸造裂纹的半连铸工艺。研究结果显示:仿真结果与工业现象基本相符,利用本文所得到的规律和结论可以很好地解释各种裂纹缺陷的产生条件,在一定程度上可以指导实际的工业生产。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高强铝合金及其大铸锭的半连铸研究情况
• 1.2 铸件热裂研究的进展
• 1.2.1 铸件热裂形成的机理
• 1.2.2 热裂的预测及现有判据
• 1.2.3 裂纹判据的选择
• 1.3 铸件凝固过程数值模拟研究工作综述
• 1.3.1 数值模拟的基本方法
• 1.3.2 铸件凝固过程的温度场、应力场数值模拟概况
• 1.3.3 铸件凝固过程数值模拟研究工作小结
• 1.4 本课题研究的背景及意义
• 1.5 本论文的研究内容及结构安排
• 第二章 半连铸凝固过程温度场、应力场有限元分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 半连铸凝固过程温度场有限元分析理论
• 2.2.1 半连铸过程的传热类型
• 2.2.2 半连铸过程的热传递方式
• 2.2.3 半连铸凝固过程三维传热数学模型
• 2.2.4 半连铸凝固过程温度场的有限元解法
• 2.3 半连铸凝固过程应力场有限元分析理论
• 2.3.1 铸造应力的形成
• 2.3.2 塑性增量理论的基本准则
• 2.3.3 热弹塑性模型本构方程
• 2.3.4 热弹塑性模型的有限元算法
• 2.4 铸件凝固过程热─力耦合分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 半连铸过程有限元模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 铸造有限元分析软件ProCAST介绍
• 3.2.1 ProCAST模块设置
• 3.2.2 ProCAST适用范围
• 3.2.3 ProCAST模拟分析能力
• 3.2.4 ProCAST特点
• 3.2.5 ProCAST的模拟过程
• 3.3 半连铸过程三维有限元模型的建立
• 3.3.1 三维设计软件与ProCAST的接口方式的分析
• 3.3.2 MeshCAST的文件读入与处理方式
• 3.3.3 三维有限元模型的建立
• 3.4 7050铝合金材料物性参数数据库的建立
• 3.4.1 7050铝合金材料物性参数的测量
• 3.4.2 7050铝合金热物性参数的建立
• 3.4.3 7050铝合金力学性能参数的建立
• 3.5 本章小结
• 第四章 半连铸过程数值模拟结果及裂纹倾向性分析
• 4.1 引言
• 4.2 温度场结果及分析
• 4.2.1 铸锭铸造过程中的温度场
• 4.2.2 不同工况下的液穴变化规律及其分析
• 4.3 应力场分析结果
• 4.3.1 铸锭的应力状态分析
• 4.3.2 不同工况对铸锭应力分布的影响
• 4.3.3 铸锭裂纹倾向性分析
• 4.4 消除铸锭环状裂纹、表面裂纹的工艺探讨及尝试
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文