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[硕士论文] 熊继春
材料加工工程 哈尔滨工业大学 2006(学位年度)
摘要:钛合金是一种对国防和国民经济发展有特殊战略意义的难熔和活泼金属,但由于成形制备工艺复杂,生产过程耗能多,造成了严重的资源浪费。因此,大力发展新型钛合金冷坩埚和无模电磁定向凝固成形技术具有重要的理论意义和应用价值。
  本文以理论建模和计算机模拟为研究手段,以本文作者所在课题组的实验工作为基础,建立了钛合金电磁定向凝固系统电磁场计算的有限元(FEM)数值计算模型,并独立编制出通用性较好的2D谐响应电磁场模拟计算程序。将本文电磁场的FEM计算结果转换成适合于本课题组自行编制的铸件凝固三传数值模拟程序数据格式,初步达到了对钛合金铸锭/铸件电磁定向凝固传输过程进行自主的多物理场耦合数值计算的目的。本论文主要完成了以下工作:
  结合本课题组的实验工作,建立了钛合金电磁定向凝固电磁场计算的物理模型。根据Maxwell方程组,应用有限元的方法建立了钛合金电磁定向凝固电磁场计算的数值模型。采用Fortran90语言编制了钛合金电磁定向凝固系统电磁场分布数值计算的通用程序。
  利用ANSYS8.0软件对钛合金电磁定向凝固系统进行造型和FEM剖分,为本论文程序提供造型和剖分数据。同时应用ANSYS8.0软件模拟计算相同凝固系统的电磁场分布,将ANSYS电磁场计算结果与自行编制程序计算出的电磁场数据进行了对比。结果对照表明:本论文自行编制的电磁场FEM模拟程序给出的计算结果是可靠的,两者电磁场分布规律是相似的。
  改写了本论文程序以及ANSYS软件计算得到的电磁场有限元数据到有限差数据的转换程序,成功实现了多种钛合金电磁定向凝固系统的FEM→FDM电磁场数据格式转换。
  将本论文程序计算得到的电磁场有限差格式数据耦合到本课题组自行编制的铸件三传模拟程序,针对本课题组某钛合金上、下锭冷坩埚电磁定向凝固工艺的电磁加热升温过程进行了耦合模拟计算。模拟计算结果显示:在电磁加热的最初几十秒内上、下锭在感应线圈附近的温度急剧上升,在100秒以后钛合金上、下锭中的温度场分布逐渐趋于平衡状态。
  将本文电磁场的计算结果与钛合金类叶片铸件定向凝固传输过程进行耦合模拟,并与未加电磁场定向凝固传输过程情况进行对比,计算结果显示:加谐响应电磁场后,凝固叶片液相区的对流明显增强,且流态复杂,出现较多的快速旋转涡流,导致压力场分布出现一定数目的负压力洞,同时明显地改变了合金铸件凝固温度场与浓度场的分布。
  
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