凝固过程数值模拟剖析

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大钢锭的凝固工艺数值模拟研究

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。

凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。

通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。

具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。

这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。

2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。

数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。

3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。

通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。

4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。

这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。

通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。

多元合金两相区凝固过程的数值仿真研究

[ 4]
式中 : C i, S 为局部固相溶质 i 浓度; C i, L 为局部液相溶质 i 浓度; C i, 0 为合金的初始溶质 i 浓度 ; X 为凝固前沿位置, 为二次枝晶臂间距半长 , X 和都与凝固时间 t 有关, 在模型推导中需要通过引入适当的固相生长模式和粗化模式来对其分别加以确定, 本文采用抛物线固相生长模式和标准粗化模式。为方便推导起见, 在 ( 1) 式左右两侧同时除以最终计算域尺寸
n- 2m
n- 1
( 1- k P ) 1 B!i = ( m - n) n Ci, 0
f
S n- m
- 3∀i
f S m- n f S m- n - f S
n
( 7 1)
m m- n
fS f
n- m+ 1 m- n
- 1
S
n- 1 m- n
+ 3∀ i C i, 0
f S m- n
n- 2m
( 7 2)
X 0
x = 0, = 0
( 4)
X = = S = = 0, C i, L = C i, 0 t = 0, = 0 ( 5) 通过对控制守恒方程 ( 2) 式取无量纲凝固时间的偏微分计算, 并在采用菲克第二定律来描述固相溶质扩散, 以及溶质在固相区域内呈二次方分布的前提条件下, 经过数学推导和移项整理 , 可获得微观偏析模型的最终形式的核心控制微分方程 : dC i, L = A!i C i, L + B!i df S
收稿日期 : 2006 12 07; 作者简介 : 冯科 ( 1974 修订日期 : 2009 02 11 ) , 重庆人, 工学博士 . 主要从事连铸冶金过程
算来扩展获得, 因此以二元 Fe i 合金为研究对象进行数学模型的推导 , 然后再根据推导结果进行多元化扩展。

金属液流动与凝固过程数值模拟分析方法研究

金属液流动与凝固过程数值模拟分析方法研究金属液流动和凝固过程数值模拟分析方法研究概述金属液流动和凝固过程是金属材料加工中的重要环节，对于金属制品的质量和性能有着重要影响。

因此，研究金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法具有重要的理论价值和实际应用价值。

本文将针对金属液流动和凝固过程的数值模拟分析方法进行研究，探讨其原理、步骤和应用。

一、数值模拟方法原理数值模拟方法是通过将物理系统离散化为有限的控制体积或网格，建立物理方程组，并使用数值计算方法求解，从而获得系统的增量或离散化解。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，通常采用的是计算流体力学方法（CFD）或有限元方法（FEM）。

计算流体力学方法以连续介质力学为基础，通过对连续介质流动进行方程建模和求解，获得流动场的信息，进而研究流动的性质和变化规律。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，流动方程通常采用Navier-Stokes方程，并结合运动边界条件、控制方程和物理方程对金属液流动过程进行数值模拟。

有限元方法是通过将物理系统划分为有限个单元，通过使用多项式近似解的方法，得到局部解之后，通过求解单元间的关系得到整体解。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，有限元方法通常采用二维或三维的网格划分方法，将金属液的流动与凝固过程离散化为有限个单元，然后针对每个单元进行方程建模和求解，最终获得整体的解。

二、数值模拟方法步骤1. 建立几何模型：首先需要建立金属液流动和凝固过程的几何模型，通过CAD软件或者网格生成软件能够实现。

2. 网格划分：将几何模型离散为有限个单元或控制体积，进行网格划分。

在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，网格划分需要根据流场的特点和凝固过程的要求进行合理的选择。

3. 建立物理模型：在金属液流动和凝固过程的数值模拟中，需要对流动方程、凝固方程和物理方程进行建模。

根据流动的性质和过程的要求，可以选择不同的物理模型。

4. 边界条件和初始条件：通过观察实验或实际生产中的数据，确定流场和凝固过程的初始条件和边界条件，以供数值模拟求解时使用。

热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟

热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟在金属材料的生产过程中，热型连铸是一种重要的凝固方法。

通过热型连铸，可以制备出具有优良性能的金属材料。

而在热型连铸过程中，凝固微观组织形成的过程对最终材料的性能起着至关重要的作用。

为了更好地理解凝固过程中的微观组织形成机制，科学家们采用数值模拟方法进行研究。

热型连铸可以简单地理解为利用铸铁管将金属液注入到铸模中，通过正向或背向冷却，实现金属材料的凝固过程。

在凝固过程中，液态金属逐渐转变为固态金属，同时伴随着组织结构的形成。

这种组织结构及其形成机制是决定材料性能的重要因素之一。

通过数值模拟方法，研究人员可以在计算机上根据已知的物理建模和模型、热力学和凝固动力学方程，模拟热型连铸凝固过程中微观组织的演变过程。

通过模拟计算，可以预测凝固过程中的温度场、相变行为以及组织形态的演变规律，为优化工艺参数和改善材料性能提供理论依据。

在热型连铸凝固过程的数值模拟中，研究人员首先需要构建合适的凝固模型。

这个模型通常包含了温度场、相变过程、流动场等因素。

热型连铸的凝固模型常常采用二相流动模型，将液相和固相作为两个不可混合的相进行计算。

接着，研究人员需要设置合适的边界条件和初始条件，以保证模拟的准确性和可靠性。

在模拟计算中，研究人员常常使用有限元或有限差分等数值方法，将凝固模型中的方程进行离散化，进而求解数值逼近解。

通过数值模拟计算，可以得到凝固过程中温度梯度、相变速率以及组织演变规律等信息。

这些信息对于工艺优化和材料性能的改善起到了重要的指导作用。

为了更好地验证数值模拟结果的准确性，研究人员通常会进行实验验证。

实验验证常常包括金属样品的制备、显微组织的观察和性能测试等步骤。

通过与实验结果的对比，可以验证数值模拟的准确性，并进一步改进模型和计算方法。

通过热型连铸凝固过程微观组织形成的数值模拟，研究人员可以更好地理解材料凝固过程中组织形成的机制，为优化工艺参数和改善材料性能提供科学依据。

铝合金轮圈压铸充型凝固过程模拟分析

３充型及凝固计算过程
铝合金Ａ５３６的物理特性及压铸工艺参数如表１示．根据表中数据对压 Hale Waihona Puke 过程进行模拟，通过所
对铸件充型及凝固模拟结果的分析，可以得到合金液在充型过程中的液态流向，据此可对比分析出不
［参考文献］
Ｄ１ＡＪ．００３（）７９７０［］夏建生，窦沙沙．ＡＣ２铝合金汽车缸盖罩压铸件浇口ＣＥ分析［］压力铸造，２１，０８：２－３．１
Ｊ．特种铸造及有色合金［］李昭，张立强，朱必武，等．基于数值仿真的铝合金大型薄壁件的浇注系统设计［］２
图４双流道充型过程模拟结果
Ｆｇ４Ｓｉｌｔｄｒｓｌｏｏｂｅｉ．ｍｕａｅｅｕｔｆｕｌｄ
Ｖａｅｄｒｇｆｌｇｐｏｅｓｎｕｉｉｉｒｃｓｎｌｎ
①
陈立亮，刘瑞祥．华铸ＣＥ使用手册．武汉：华中科技大学华铸软件中心，２０Ａ０８
注：负号表示反方向
４数值模拟结果及分析
图３、图４分别为单流道和双流道充型过程模拟示意图，对比模拟结果可以看出：在单流道充型
过程中，铝液未充满流道就已溢出浇口，容易在流道侧壁形成夹气，在充型过程中残留于铸件内部形成气孔，同时铝液充填过程中出现未填充满现象，在后续的充型中也可能夹杂气体，铝液易飞溅，流态不平稳，易出现卷气现象；而在双流道充型过程中，铝液充满流道再从浇口溢出，充型过程中流态平稳，直至铝液充满整个铸件型腔而流人溢流槽．从整个充型过程看，双流道相比单流道充型过程中

薄板坯连铸凝固过程数值模拟

薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术及应用薄板坯连铸凝固过程数值模拟一直是冶金领域中研究的重点，旨
在提高铸坯的质量和生产效率。

本文将从计算方法、模型建立、参数
选择等方面详细介绍薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术及应用。

计算方法：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟可采用有限元方法、
有限体积法、边界元法等多种计算方法。

其中有限元法是应用最广泛
的方法，其主要思想是把物体离散成有限数量的单元，在每个单元内
建立数学模型，通过有限元之间的连接关系来模拟整个物体的动态、
力学及热力学性质。

模型构建：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟需要建立复杂的数学
模型，主要包括物理模型、数学模型和计算模型等。

其中物理模型描
述了物质在实际生产过程中的变化规律，数学模型则是对物理模型的
抽象和简化，计算模型则是运用计算机对数学模型进行求解得到数值解。

在模型构建中，还需要考虑铸坯形变、物质流动、热传导等多种
机理。

参数选择：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟需要选择合适的参数
才能得到适合实际工艺的模拟结果。

参数选择中涉及到温度梯度、结
晶生长速度、界面热阻等多个因素的综合考虑。

应用场景：薄板坯连铸凝固过程的数值模拟技术已广泛应用于钢铁、铝合金等行业的生产过程中，有效提高了铸坯的质量和生产效率。

同时，数值模拟技术也成为创新的生产手段，为钢铁、铝合金等行业的技术升级和发展带来积极的推动作用。

薄板坯连铸凝固过程数值模拟

薄板坯连铸凝固过程数值模拟连铸技术是钢铁工业中最重要的生产工艺之一。

薄板坯连铸是其中一种重要的连铸工艺。

在薄板坯连铸过程中，钢液经过水冷铜模具，在模具内凝固成为一块薄板坯，成为下一步轧制的原材料。

准确的数值模拟可以帮助优化生产工艺，提高产品质量。

薄板坯连铸凝固过程的数值模拟主要包括两个方面，一是数值模拟的方法和原理，二是模拟的结果和应用。

数值模拟的方法和原理主要包括数学模型、计算方法和边界条件。

数学模型是指将连铸过程中的物理过程转化为数学表达式，通常包括质量守恒、动量守恒、能量守恒以及物质相变方程等。

计算方法是指将数学模型转化为计算机可以计算的算法，常见的方法包括有限元法、有限差分法、有限体积法等。

边界条件是指模拟过程中需要考虑的约束条件，如温度、流速、壁面热通量等。

这些约束条件对模拟结果具有重要影响。

模拟的结果和应用主要包括凝固形态、温度场分布、应力分布等。

凝固形态是指钢液在模具内凝固的形态，包括结晶器壳层、过渡层、液相区等。

温度场分布是指钢液在凝固过程中的温度变化情况，包括初始温度、凝固过程中的温度变化以及完成凝固后的温度分布。

应力分布是指凝固过程中产生的应力分布情况，包括结晶器壳层的应力、板坯中心的应力等。

这些结果可以帮助生产工艺优化和产品质量控制。

数值模拟在薄板坯连铸中的应用越来越广泛。

通过数值模拟，可以帮助优化结晶器的设计、改进冷却水流量、调整钢液流速等，从而提高产品质量和生产效率。

同时，数值模拟可以预测板坯内部缺陷、预测板坯形变等，提前发现问题，减少生产事故和损失。

薄板坯连铸凝固过程的数值模拟是一项复杂的工作，需要考虑多个因素的影响，但是它可以帮助钢铁企业优化生产工艺，提高产品质量和生产效率。

随着计算机技术的不断发展，数值模拟在钢铁行业的应用将会越来越广泛。

铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究

如表１所示。表１中Ｐ、ＶＫ、Ｃ、分别为ｋ相（固相或液相）的密度、速度、溶质含量和温度。研究基于有限容积方法离散控制方程，采用多相ＳＩＭＰＬＥＣ算法完成凝固体系中速度－压力的耦合求解，并利用共轭梯度类方法实现离散方程线性系统的求解，实现数学模型的程序求解。
ＣａｓｔＡｌｌｏｙＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓ
ＴｕＷｕｔａｏ，ＳｈｅｎＨｏｕｆａ，ＬｉｕＢａｉｃｈｅｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｅｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｕｓｕａｌｌｙｏｃｃｕｒｓｄｕｉｎｒｇｔｈｅｃａｓｔｉｎｇａｌｌｏｙｓｏｌｉｄｉｉｃｆａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｇｒｅａｔｌｙｄｅｔｅｉｒｏｒａｔｅｔｈｅｓｅｒｖｉｃｅｍａｔｅｉｒａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ，ｎｕｍｅｉｒｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｃａｓｔｍａｃｒｏｓｅｒｅｇｇａｔｉｏｎｏｆ５３ｔａｎｄ５００ｔｉｎｇｏｔｓ．Ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎｓｈｉｎｒｋａｇｅａｎｄｅｑｕｉａｘｉａｌｃｒｙｓｔａｌｓｅｔ－ｄｅｍｅｎｔｒｅａｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄｉｎｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｓｗｅｌｌｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｓｔ ห้องสมุดไป่ตู้ ｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ；ｍａｃｒｏｓｅｒｅｇｇａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｉｃｒａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

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铸件凝固过程数值模拟
• 主讲人：贺腾博 • 小组成员：黄萍、徐晓欢、贺腾博、韩丽
梅、刘靓
铸件凝固过程
图1：斧锤型铸件
图2：新山英铺的模拟结果
铸件凝固过程数值模拟的任务
数学模型
数值求解
缺陷位置
凝固规律
铸件凝固过程数值模拟流程图
2020/10/11
铸件的凝固过程基本上可以认为是一个不稳定的导热过程
热流密度矢量 q gradt
t t-Δt
t+Δt
温度场
• 温度场模拟是预测缩孔缩松形成，微观组织形成以及热烈变形等的基础；
• 温度场计算的正确性取决于初始条件，边界条件，热物性参数，合理的潜热处理等方法。
控制方程
凝固导热过程中，温度、时间和空间的关系可用傅里叶导热方程描述即：
左边第二项是枝晶间液体流动的热对流，由于潜热释放、两相区温度梯度及液相率比较小，可忽略不计，式可修改为:
压铸模具瞬态层示意图
分区计算的作用就是可以大大提高凝固模拟的计算效率
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分区域计算的实现
分区计算的核心内容：是实现不同的区域采用不同的网格尺寸和不同的时间
步长进行模拟计算。必须解决问题：（1）铸型瞬态区域厚度的计算（2）非均匀网格（3）内部计算区域的标识（4）不同区域采用不同时间步长
多热节判断
多热节的判断就是判断出补缩通道的情况，从而确定出热节的收缩量和缩孔位置
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收缩量的计算
每个孤立热节内所有单元在第m时间步长内的体积收缩量的计算如下：
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补缩单元
当单元的固相率高于一个临界值 fsc时，就不再具有流动能力，因此也就不再具有补缩能力
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铸件缩孔和缩松的形成原因
• 1、铸件结构方面的原因 • 2、熔炼方面的原因 • 3、工艺设计的原因
缩孔的预测
缩孔预测中主要是预测出缩孔的形状、位置大小以及所在的位置要解决的主要问题：
1.如何计算收缩量？ 2.如何进行补缩通道的判断？ 3.哪些单元可以进行补缩？
2020/10/11
• 导热分析的研究归结为研究：温度随空间、时间的变化，在直角坐标系中，也就是求解方程:
T=f（x,y,z,t）
上述方程称为温度场的数学描述。
温度场
温度场 T = f (x, y, z,t) 等温面与等温线
t+Δt t t-Δt
等温线疏密程度的物理意义
温度梯度
gradt
Lim
t
r n
t
r nn0 n n20来自0/10/11初始条件：
冲型完毕时金属液和型腔的温度场即是凝固开始的温度场
边界条件：
边界条件是指铸件——铸型交界面或不同种类造型材料之间的交接面。
界面热流率为：
如果界面换热系数为h,则界面两侧相邻节点之间的等效换热系数为：
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铸件凝固模拟计算区域优化
分区计算的基本思想源于压铸过程的数值模拟研究中Barone和 Caulk提出的“瞬态层”的概念
（1）铸件色温（2）温度梯度（3）铸型色温（4）凝固液相（5）凝固次序
2020/10/11
2020/10/11
补缩单元
2020/10/11
(a)未考虑孤立熔池热节（b）考虑孤立热节
温度场模拟软件CAE
模拟的主要步骤：
（1）工艺三维建型（2）新建工程（3）前处理网格划分（4）参数设定与技术分析（5）后处理数据可视化
2020/10/11
后处理数据可视化
凝固过程的后处理主要包含：