离心铸造双金属复合管数值模拟与工艺优化

摘要

管道是河道疏浚工程中用于输送泥沙的关键过流部件，在其工作过程中由于输送水底砂石等物，磨损十分严重，并且具有较强的腐蚀性，因此要求其管道内表面具有耐磨性、耐腐蚀性能，同时由于在运输过程中会承受较高的压力，因此需要管道具有较高的强度和韧性。双金属复合管因为内层和外层具有显著不同的成分和性能，可满足对其的综合性能的要求，已成为疏浚管的发展方向。复合管多采用离心复合铸造方法，因其铸造条件和工艺的复杂性，大型复合管实验成本高，有些参数难以测试的问题，很难科学分析实际出现的问题。因此对其过程进行数值模拟分析具有理论意义和实用价值。 论文以一种大直径的薄壁离心铸造双金属复合管为研究对象，根据实际工作情况和工环境对其性能的要求，选用外层材料为304不锈钢，内层材料为高铬铸铁。建立了复合管的数学物理模型，并分析了其离心铸造的工艺参数、边界条件和潜热等因素的处理方法。在此基础上，选用Flow-3D软件作为模拟软件，制定了合理的模拟方法，并对一个小模型进行了模拟，以验证模拟方法的可靠性。 把双金属复合管的模拟分为两个阶段：首先对外层金属的充型过程进行模拟，获得其温度冷却曲线，根据温度曲线获得内外层金属的浇注时间间隔，然后对内层金属的充型过程进行模拟。采取正交实验法对外层模拟结果进行了分析，以浇注温度、旋转速度和浇注速度三个因素作为研究对象，以流体的充型时间和厚度均匀化后铸件内表面的温度差为判断标准，建立了一个三因素三水平的正交试验表。通过分析结果获得了优化的工艺参数组合。 通过Flow-3D软件中的‘restart’功能成功的对内层金属的浇注过程进行了模拟。对内层进行模拟时，要通过计算确定浇注内层金属时外层金属的初始温度，然后将其初始温度带入到外层金属的温度冷却曲线，获得相应的时间间隔。根据双金属管的界面结合机理，通过模拟结果分析了内外层金属的浇注时间间隔及内层金属的浇铸温度对界面结合质量的影响。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2双金属复合管发展现状与生产工艺

1.3 离心铸造双金属复合管现状

1.3.1 离心铸造的特点

1.3.2 离心铸造双金属复合管的工艺过程

1.3.3离心铸造双金属复合管现状

1.4 铸件充型过程数值模拟的发展现状

1.4.1铸件充型过程数值模拟

1.4.2离心铸造数值模拟发展现状

1.5 Flow-3D软件介绍

1.51.铸造模拟专用软件概况

1.5.2 Flow-3D软件简介

1.6 选题意义及主要研究内容

第二章 双金属复合管离心铸造工艺研究及物理模型

2.1浇注材料的选取依据

2.2 物理模型与网格划分

2.2.1 物理模型

2.2.2 模型的网格划分

2-3 初始条件的研究

2.3.1 铸型旋转速度

2.3.2 浇铸温度

2.3.3浇注速度

2.3.4 铸型的预热温度

2.3.5涂料

2.4边界条件及潜热的处理

2.4.1 边界条件

2.4.2潜热

2.5本章小结

第三章 基于Flow-3D的离心数值模拟

3.1 数学模型的建立

3.1.1压力场的特点

3.1.2基本控制方程

3.1.3 VOF（volume of fluid）方法

3.1.4 FAVOR方法

3.2模拟方法的确定

3.3操作流程简介

3.4 模拟方法的验证

3.4.1流动场分析

3.4.2温度场分析

3.4.3浇注量与最薄厚度

3.4.4 铸型旋转速度的影响

3.5 本章小结

第四章 双金属复合管外层的模拟结果及工艺优化

4.1 模拟方案的确定

4.2 模拟结果讨论

4.3 最佳工艺组合下的模拟结果

4.4 本章小结

第五章 内层的浇注与模拟分析

5.1 复合管界面结合机理

5.2 浇注时间间隔的影响

5.2.1计算外层金属的初始温度

5.2.2 通过模拟确定时间间隔

5.2.3 不同时间间隔的模拟结果

5.3 内层浇注温度的影响

5.4本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献