金属材料液态成型原理(2-液态金属的流动与传热)课件.pptx
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- 金属材料 液态 成型 原理 金属 流动 传热 课件
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1、导入案例 美国、德国和日本等国家的先进铸造企业较早将工艺过程的模拟技术广泛应用于铸造生产实际,以实现优化设计及缩短生产周期。目前国内也有越来越多的企业利用模拟技术来实现生产工艺的设计及优化。2.1 液态成型过程的传热研究方法实测法数学解析法物理模拟法数值模拟法2.1.1 导热的基本方程及求解基本思路热传导是其热量传递的主要形式。通常若需考虑凝固过程中的对流换热及辐射换热时,可将这两种传热形式以边界条件的形式在导热方程中进行求解;铸件在铸型中的凝固和冷却过程是非常复杂的简化2.1.1 导热的基本方程及求解导热基本方程的建立2.1.1 导热的基本方程及求解 当不考虑内热源,并采用立方坐标系时,傅里
2、叶定律可表示为:222222ztytxttcp2.1.1 导热的基本方程及求解 形式可改写为:222222ztytxttctt22222222ztytxtt2.1.1 导热的基本方程及求解导热微分方程的单值条件2.1.1 导热的基本方程及求解第一类边界条件(也称Dirichlet条件),即给出物体边界上各点的温度值,数学表达如下。实际上,已知边界处的温度值或温度分布函数可归于此类边界条件。2.1.1 导热的基本方程及求解第二类边界条件(也称Neumann条件),即给出物体边界上各点温度沿边界法向的导数,数学表达式2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.1 导热的基本方程及求解第三类边界条件(也
3、称Robin条件),即给出物体边界上各点的温度与温度沿边界法向导数的组合:2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.1 导热的基本方程及求解一维半无限大铸件温度场的解析解 假设:具有一个平面的半无限大铸件在半无限大的铸型;铸件和铸型的材料是均质的,其热扩散率 为定值;铸型、铸件的初始温度;将坐标的原点设在铸件与铸型的接触面上。2.1.1 导热的基本方程及求解022yt022zt22xtt2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.1 导热的基本方程及求解 即得一维半无限大条件下铸型和铸件的温度场的数学解析解2.1.1 导热的基本方程及求
4、解2.1.1 导热的基本方程及求解凝固潜热的处理2.1.1 导热的基本方程及求解2.1.2 温度场的数值计算有限差分法(Finite Difference Method,简称FDM)建立途径它可直接从已有的导热方程及其边界条件来得到差分方程;也可以在物体内部任取一单元,通过建立该单元的能量平衡来得到差分方程。基本思想求解物体内温度随空间、时间连续分布的问题,转化为空间领域与时间领域的有限个离散点上求温度值的问题,并进而用这些离散点上的温度值去逼近连续的温度分布2.1.2 温度场的数值计算差商有限差分法的数学基础是用差商代替微商2.1.2 温度场的数值计算差商与微商之间的偏差就是截去了泰勒级数高
5、阶项所引起的,一般称此泰勒级数高阶项为“截断误差”。2.1.2 温度场的数值计算二阶差商偏微商也可用相应的差商来替代2.1.2 温度场的数值计算差分格式 利用差分原理,傅立叶导热偏微分方程及其单值条件转化成的线性方程组称为差分格式2.1.2 温度场的数值计算第一步第一步:需要划分单元,即将求解域进行离散化2.1.2 温度场的数值计算第二步第二步:将基本方程差分化2.1.2 温度场的数值计算第三步第三步:再将边界条件及初始条件进行差分2.1.2 温度场的数值计算2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点铸件在绝热铸型中凝固砂型、石膏型、陶瓷型、熔模铸造等铸型材料在凝固传热中,金属铸件的温度梯度比铸
6、型中的温度梯度小得多;绝热铸型本身的热物理性质是决定整个系统传热过程的主要因素;2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属型中铸造;传热过程取决于涂料层的热物理性质2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点厚壁金属型中的凝固较薄的铸件在工作表面涂有涂料的金属型中铸造时;金属-铸型界面的热阻相对很小,可忽略不计;可以认为,厚壁金属型中的凝固传热为两个相连接的半无限大物体的传热,整个系统的传热过程取决于铸件和铸型的热物理性质2.1.3不同界面热阻条件下温度场的特点水冷金属型中的凝固凝固传热的主要热阻是凝固金属的热阻,铸件中有较大的温
7、度梯度2.1.4 动态凝固曲线温度场测定2.1.4 动态凝固曲线温度场曲线绘制2.1.4 动态凝固曲线动态凝固曲线绘制液相边界固相边界2.1.5 金属的凝固特性凝固区域及其结构模型3个区域4个边界2.1.5 金属的凝固特性铸件的凝固方式凝固方式取决于凝固区域的宽度;3种凝固方式/凝固特征;逐层凝固方式体积凝固方式(或称糊状凝固方式)中间凝固方式2.1.5 金属的凝固特性2.1.5 金属的凝固特性铸件的凝固方式的影响因素合金的结晶温度范围t温度梯度tt/t依据 t/t 1 趋于逐层凝固方式;t/t 1 趋于逐层体积方式;2.1.6 凝固时间理论推导2.1.6 凝固时间2.1.6 凝固时间平方根定
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