（材料加工工程专业论文）铝合金半固态浆料电磁搅拌下流场数值模拟及试验研究.pdf

摘要 电磁搅拌工艺参数与半固态浆料的质量密切相关，本研究的目的是通过数值 模拟来找出电磁搅拌过程中流体的运动特征和规律，并结合试验研究来优化电 磁搅拌工艺参数。 本文首先利用a n s y s 有限元分析软件建立铝合金半固态浆料电磁搅拌的 磁流耦合场模型。通过对电磁场耦合模拟分析，得到了磁场磁力线分布情况、 磁感应强度分布情况及铝合金熔体中洛伦兹力大小的分布情况。通过对流场进 行模拟后发现，在熔体内部竖直方向上存在两个高度相等的漩涡，这与电磁搅 拌机理一致。模拟得到的熔体内部流动速度最大值出现在熔体区域的右上角和 右下角处，熔体内部的流动速度最小值位于漩涡中心附近。 通过对不同搅拌频率、不同电流密度、不同坯料高径比、不同温度下的流 场的模拟，依次得到了四种条件下熔体内部流动速度最大值和最大剪切速率的 变化规律。为了研究频率、电流密度、坯料高径比和温度四个因素变化对最大 流动速度的影响，通过正交模拟试验，得到了四个因素变化时最大流动速度的 变化规律以及四个因素影响最大流动速度的主次顺序。 确定了实验方案，分别对搅拌功率为1 8 k w 堙、1 2 k w k g 、0 8 k w 堙、 0 6 k w 堙，不同温度( 6 0 0 、5 9 5 、5 9 0 ) 下所取试样进行显微组织观察和 比较，发现在同一搅拌功率下，5 9 5 时取样的显微组织最理想，因此5 9 5 是 一个比较合适的搅拌终了温度。分别对同一温度( 5 9 5 ) ，不同搅拌功率( 1 8 k w 堙、1 2 k w 堙、0 8 k w 堙、0 6 k w 堙) 下，所取试样进行显微组织观察和 比较，发现初生口a 1 均为非枝晶的近球状、蔷薇状组织。搅拌功率为1 8k w 堙 时，初生口a i 晶粒最均匀细小、圆整。 由实验结论可知，在同一温度下，流体流动速度是影响半固态浆料最终显 微组织的最主要因素，流动速度越大，说明搅拌的效果越好，越易得到圆整细 小、均匀分布的半固态组织，流动速度越小则反之。所以，本文数值模拟部分 得到的铝合金半固态浆料电磁搅拌下流场的流动规律，对实验具有一定的指导 意义。 关键词：铝合金；半固态浆料；电磁搅拌；，流场；数值模拟 a b s t r a c t t h eq u a l i t yo fs e m i - s o l i ds l u r r yh a sc o r r e l a t i o nw i t ht h ep a r a m e t e ro ft h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g a st h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c h ，t h ek i n e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n d r u l eo ft h ef l u i dd u r i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go fs e m i - s o l i ds l u r r yo f a l u m i n u ma l l o yw i l lb eo b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no ff l o wf i e l d 、析t l lc o m p u t e r t h eo p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw i l lb ef o u n dw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h f i r s t l y , t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ec o u p l i n go ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a n dt h ef l o wf i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw e r ed o n e 、析t l lt h es o f t w a r ea n s y s a n dt h e nt h ed i s t i l b u t i o no ft h em a g n e t i cl i n e so ff l u x ，t h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yo f t h em a g n e t i cf i e l d ，t h ev a l u eo fl o r e n t zf o r c eo ft h ea l u m i n u ma l l o ym e l tw e r e o b t a i n e dt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d w ec a nf i n d t w oe q u a ls w i r l sd i s t r i b u t e di nt h em e l t i n ga r e al e n g t h w a y sf r o mt h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l d a n dt h er e s u l ta c c o r d e dw i t ht h ep r i n c i p l eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g t h em a x i m a lf l o w i n gv e l o c i t yo ft h ei n n e rm e l tp r e s e n t st o t h et o pr i g h tc o m e ra n dt h eb o t t o mr i g h tc o m e ro ft h em e l t i n ga r e a t h em i n i m a l f l o w i n gv e l o c i t yo f t h ei n n e rm e l tp r e s e n t st ot h ec e n t r a la r e ao ft h es w i r l s t h ee l e m e n t a r ya l t e r a t i o nr u l eo ft h em a x i m a lf l o w i n gv e l o c i t ya n ds h e a f i n g r a t eo ft h ei n n e rm e l th a v eb e e na n a l y z e dt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i mt h e s e p a r a t e l ya l t e r a t i o n o fs t i r r i n g f r e q u e n c y ，c u r r e n td e n s i t y , r a t i o o fh e i g h ta n d d i a m e t e ro fa l u m i n u mm e l ta n ds t i r r i n gt e m p e r a t u r e w eg e tt h er u l ea n dt h es e q u e n c e o ft h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo ft h ei n f l u e n c eo ft h ef o u rf a c t o ri n c l u d i n gs t i r r i n g f r e q u e n c y , c u r r e n td e n s i t y , r a t i oo fh e i g h ta n dd i a m e t e ro f a l u m i n u mm e l ta n d s t i r r i n gt e m p e r a t u r et ot h em a x i m a lf l o w i n gv e l o c i t yo ft h ei n n e rm e l t ，t h r o u g h d e s i g n i n gt h eo i r t h o g o n a ln u m e r i c a le x p e r i m e n t t h ep r o g r a m m eo ft h ee x p e r i m e n th a sb e e nd r a w nu p o b s e r v i n ga n dc o m p a r i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h et e s ts a m p l e sw h i c hw e r eg o tf r o md i f f e r e n ts t i r r i n g p o w e r ( 1 8k w k g 、1 2k w k g 、0 8k w k g 、0 6k w k g ) u n d e r d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ( 6 0 0 。c 、5 9 5 、5 9 0 ) w e c a nf i n dt h em i c r o s t r u c t u r e so f t e s ts a m p l e s i i a r eo p t i m a lu n d e rt h es a m es t i r r i n gp o w e rw h e nt h et e m p e r a t u r ei s5 9 5 s o5 9 5 i sap r o p e rt e m p e r a t u r ea tw h i c hw ec a l ls t o pt h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g o b s e r v i n g a n dc o m p a r i n gt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h et e s ts a m p l e sw h i c hw e r eg o tf r o mt h es a m e t e m p e r a t u r e ( 5 9 5 ) u n d e rd i f f e r e n ts t i r r i n gp o w e r ( 1 8k w 堙、1 2k w 堙、0 8 k w 堙、0 6 k w 妇) w ec a nf i n da l lo ft h ep r i m a r y 口一a ig r a i n sa r en o tf i r - t r e e c r y s t a l b u tn e a r - s p h e r i c a la n d r o s e - s h a p e d t h ep r i m a r y 口一a 1g r a i n s a r et h e b e s t - d i s t r i b u t e d ，t h es m a l l e s ta n dr o u n d e s tw h e nt h es t i r r i n gp o w e ri s1 8k w 妇 f r o mt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tw ek n o wt h a tt h ev e l o c i t yo ft h ef l u i di st h e m a i nf a c t o rw h i c hi n f l u e n c et h eu l t i m a t em i c r o s t r u c t u r eo ft h es e m i - s o l i ds l u r r y t h e h i g h e rt h ev e l o c i t yo ft h ef l u i db e c o m e ，t h eb e t t e rt h ee f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n gw i l lb e w ec a ng e tp r i m a r y 口一a ig r a i n sw h i c ha r eb e t t e r - d i s t r i b u t e d s m a l l e r a n dr o u n d e rm o r ee a s i l y c o n v e r s e l y , t h el o w e rt h ev e l o c i t yo ft h ef l u i db e c o m e ，t h e w o r s et h e e f f e c to ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n gw i l lb e s o ，t h ec o n c l u s i o no ft h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ef l o wf i e l do fe l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go fs e m i - s o l i ds l u r r y o fa l u m i n u ma l l o yi sam e a n i n go fp o s i t i v eg u i d a n c et ot h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht oa c e r t a i nd e g r e e k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y , s e m i s o l i ds l u r r y , e l e c t r o m a g n e t i cs t i f f i n g ，f l o wf i e l d ， n u m e r i c a is i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：日期：竺塞：! 三：! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：日期：逊! ! 三：! 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 半固态加工技术概述 1 1 1 半固态加工的概念及特点 金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控制固液态温度区间，得到一种液 态金属母液中均匀的悬浮着一定固相组分的固液混合浆料( 固相组分甚至可高达 6 0 ) 。这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动 性，易于通过普通加工方法制成产品。采用这种既非完全液态，又非完全固态 的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属成形技术( s e m i - s o l i dm e t a l p r o c e s s i n g ，简称s s m ) 【1 1 。 与普通的成形方法相比，半固态成形具有许多优点囝：( 1 ) 应用范围广泛，凡 具有固液两相区的合金均可实现半固态成形。可适用于多种成形工艺，如铸造、 挤压、锻压和焊接。( 2 ) s s m 充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩 小，因而铸件尺寸精度高。s s m 成形件尺寸与成品零件几乎相同，极大地减少 了机械加工量，可以做到少或无切屑加工。s s m 凝固时间短，有利于提高生产 率。( 3 ) 半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模 具的热冲击，使其使用寿命大幅度提高。( 4 ) s s m 成形件表面平整光滑，铸件内 部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达 到变形材料的性能。( 5 ) 应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料 的漂浮、偏析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和成形 提供了有利条件。( 6 ) 与固态金属模锻相比，s s m 的流动应力显著降低，s s m 模 锻成形速度更高，可以成形十分复杂的零件。( 7 ) 节约能源。按生产单位重量零 件为例，半固态成形与普通铝合金铸造相比，节能3 5 左右。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 2 半固态金属，j n - r 的主要工艺过程 1 1 2 1 半固态塑性加工 半固态塑性加工包括半固态锻造、半固态挤压和半固态轧制等。 ( 1 ) 半固态锻造例 半固态锻造( 图1 1 ) 是将加热到液相体积分数为5 0 左右的半固态坯料， 在锻模中进行以压缩变形为主的模锻来获得所需的形状和性能的制品的加工方 法。它介于固态成形和液态成形两种工艺之间，因此，半固态锻造可以成形变 形抗力较大的高固相率的半固态材料，并达到一般锻造难以达到的复杂形状。 用半固态模锻工艺生产少、无切削的黑色金属模锻件，将为黑色金属塑性成形 开辟一条新的途径。 图1 1 半固态金属锻造成形示意图 a - 半固态重熔加热b 坯料放入锻模型腔c 锻压成形d 锻件 ( 2 ) 半固态挤压p 4 j 半固态挤压( 图1 2 ) 是用加热炉将坯料加热到半固态，然后放入挤压模腔， 用凸模施加压力，通过凹模口挤出所需制品。半固态挤压和其他半固态成形方 法相比，研究得最多的是各种铝合金和铜合金的棒、线、管、型材等制品。制 品的内部组织及力学性能均一，也容易操作，今后应用的前景十分广阔，是难 加工材料、粒子强化金属基复合材料、纤维强化金属基复合材料成形加工的不 2 武汉理1 人学硕十学位论文 可缺少的技术 图1 2 半崮态盒属挤压成形示意幽 ( 3 ) 半同态轧制 具有球状品的金属合余材料加热到处于半固态时仅具有维持其固体形状 小被破坏的强度变形抗力很低，这种性质对# l n 成形有利。半固态轧制( 图 1 3 ) 足在 l # j l 的入口处设首加热炉，将具有球状晶的金属合金材料加热到半固 态后，送入轧辊i 轧制的方法。半固态轧制的对象主要是板材。 。匦毯爱鎏酉 喇睁i 武汉理工大学硕士学位论文 对表2 1 中数据进行回归拟合分析，得到粘度温度曲线，如图2 5 所示。 由图2 5 所示的粘度温度曲线可得不同温度下的粘度值如表2 2 所示。 表2 2 不同温度下铝硅合金的粘度值 温度( ) 5 9 0 5 9 3 5 9 6o c5 9 9 6 0 2 6 0 5 6 0 8 粘度值 4 1 23 9 33 7 63 6 23 53 43 3 1 ( 1 0 一k g m s ) 画 画 画 回 回 画 画 画 画 回 画 画 回 回 画 画 画 回线圈 回 画 画 回 回 画 图2 - 6 实物模型示意图 ( 2 ) 模型的创建及其简化 试验将圆柱形坩埚置于通有交变电流的电磁感应线圈中进行电磁搅拌，该 实物模型示意图如图2 6 。 铝合金试样尺寸为矽1 3 0 m m x 2 1 3 m m ，铝合金侧表面与线圈之间的距离为 1 0 m m 。矩形铜管线圈匝数为1 2 匝，匝间距为3 m m 。铜管截面外形尺寸为 1 7 m m x l 5 m m ，壁厚为2 m m ，中间通冷却水，以降低线圈温度。 由图2 - 6 可见，该电磁搅拌为轴对称问题，可以转化为二维问题进行求解， 在建模时选取轴平面的一半来进行模拟，即熔体区域为6 5 m m 2 1 3 m m 的矩 形，另外由于不锈钢坩锅的相对磁导率近似为1 ，因此在建模过程中不予考虑， 1 8 武汉理1 人学坝十学悦沦文 将其视为空气。所建立的模拟模，弘如图2 7 所示 罔2 7 模拟模型 铝合盒熔体区2 一空气区3 一线圈区 线圈的形状和尺寸如蚓2 - 8 所示。 图2 8 线圈形状和尺、j 不意| 生】 故线圈中屯流密度的计算公式为 ，：上 s s 式中j电流省度，单位a m 2 i 一感应电流，单位a ( 2 9 ) s 一线幽的外矩形面秘，堆位m 2 一一线圈的内腔面积，单位m 2 线矧l _ 不同感肫i u 流所对应的电流密度值如表23 所示 表2 - 3 不同感应电流所对应的电流密度 l 感脚r 丑流( a )4 06 07 08 0 9 01 0 0 l 。淼 35 744 653 662 57 1 480 489 3 ( 3 ) 网格划分 首先将材料的单元类型及其物理参数指定给图27 巾对应的熔体、线圈和空 气部分，接着刘稚个模j i t tr 1 分例椿。由于金禹熔体区域( 【- n2 - 7l l j1 区域) 为 分析的币点，因此将该区域的币兀网格进行较细的划分，由于该区域为矩形， 形状比较枷则，因此采川映射式| 叫格划分方法( m a p p e dm e s h i n g ) 。空气区域2 耳n 线幽区域3 由软什一身进行智能化网格划分，划分后的整个模型剐格如图2 - 9 所爪。 图2 - 9 模型删格划分图 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 创建电磁物理环境 。 为电磁场分析施加合适的载荷和边界条件。指定该磁场分析类型为谐波磁 场分析，定义工作频率，给线圈施加电流密度载荷和相位角，施加磁力线平行 边界条件。 ( 5 ) 创建流场物理环境 为流场分析施加合适的边界条件。由于不考虑金属熔体边界的变化，因此 指定金属熔体区域边界的水平和竖直方向的位移为0 。同时设定该金属熔体区域 四个边界上与边界垂直的方向上的速度分量为0 ，即只存在与边界相切方向的速 度分量。 由于金属熔体在洛伦兹力的作用下进行环向的流动，因此认为该流场的流 动为湍流。目前，描述熔体流动的湍流模型有零方程模型、单方程模型、标准k 占 模型、修正的k 占模型、k w 模型、代数应力模型、湍流应力模型、湍流涡旋 学说的大涡模拟( l e s ) 等。其中标准k 占模型和零方程模型是最简单的湍流模型， 在本模拟中选择标准k 占模型进行分析并将湍流选项打开。 ( 6 ) 进行耦合场的求解 首先读取电磁场物理环境文件，由于电磁场不受流速场的影响，因此该过 程是个稳态的谐性磁场分析。通过对该过程的求解计算得到了金属熔体内部 各节点所受的洛伦兹力大小及方向分布，保存求解结果；接着读取流场物理环 境文件，将电磁场分析得到的各节点的洛伦兹力作为体载荷加入到流场分析中 来，然后对流场进行求解，计算该过程流场的流速分布情况。 2 1 武汉l 大学硕f 学位论文 第3 章模拟结果分析 31 电磁场模拟结果分析 图3l 为整个模型中电磁场的磁力线分布。罔3 2 是会属熔体内部磁感应强 度分布的i 罔。 幽3 1 电磁场的磁力线分向图 蚓32 磁感应强度分巾“目 武汉理i 大学硕士学位论文 竺瓦= 箦毫j 5 焉，焉。 图3 - 3 洛伦兹力分布云图 武议理j = _ 大学硕十学位论文 从图3 - 1 的磁力线分和、图3 2 中铝合金熔体内部和四周的磁感应强度分布 以及图3 3 中洛伦兹力分布可知，感应线圈产生的磁场主要分布在金属熔体内靠 近线圈的区域，这是由于金属熔体对磁力线具有屏蔽作用，因此熔体内部几乎 没有磁力线穿过。沿x 轴方向任意选择一条从金属熔体中心到金属熔体侧表面的 路径，如图3 - 3 中路径a 所示。图3 - 4 给出了沿该路径的洛伦兹力大小分布曲线， 其中x 轴表示路径a 卜各点与熔体中心之间的距离，y 轴是对应的洛伦兹力的 值。由图3 - 4u r 见，从熔体中心轴到距铝合金熔体中心轴52 c m 处熔体所受洛伦 兹力几乎为零，从距中心轴52 c m 处开始洛伦兹力开始增大，到距外侧表面 o3 2 5 e m 处达到最大值；从距外侧表面03 2 5 c m 处开始到最外倒表面，洛伦兹力 大小开始缓慢减小，但变化不大。 32 流场模拟结果分析 读取流场分析的结果文件，查看金属熔体内部流速场分布情况 321 不同搅拌频率下的流场 模拟搅拌频率的变化范围是1 0 0 0 4 0 0 0 h z 。在电流密度、坯料高径比和温 度都不变( 粘度不变) ，电流密度为8 9 3 x 1 0 5 a i m2 ，坯料高径比为15 4 温度为 6 0 8 c ( 粘度为33 1 1 0 一k g ms ) 时，分别取搅拌频率为1 0 0 0h z 、15 0 0h z 、2 0 0 0 i l z 、2 5 0 0h z 、3 0 0 0h z 、3 5 0 0h z 、4 0 0 0h z 时的结果进行比较。 武汉理i 大学硕+ 学位论文 - 女 皿鼍! _ i 焉尸。* 1 鼍= 卜；i _ ” 。一0=2=!12二! 一 ( c )( d ) 医刁蜀 鎏! ，。 “鬻l l ? m ：“溺 i l 。毫 f 。曩 “：瞩 j 臻4 此hr 一 ：= ! = 嘴甲：! = ：墨t ：_ = ：= ；= = 习暑。_ i ( g ) 圈3 5 不同搅拌频率下的流场矢量圈 ( a ) 1 0 0 0 h z( b ) 1 5 0 0 h z( c ) 2 0 0 0 h z ( d ) 2 5 0 0 h z ( e ) 3 0 0 0 h z ( f ) 3 5 0 0 h z ( g ) 4 0 0 0 h z 羽 雾 l 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5 所示，在电磁场的作用下，熔体内部在竖直方向上存在着两个高度基 本相同的漩涡，该流动情况与电磁搅拌过程机理【4 0 】相符合：即熔体侧表面由于 受到电磁力的作用产生向内部运动的趋势，在此趋势的驱动下，金属熔体便产 生了图中所示的两个漩涡。从熔体内的流动情况来看，模拟的结果切合实际。 从图3 5 中还可以看出，金属熔体内部流动速度最大值出现在图中熔体区域 的右上角和右下角处，流动速度最大值随着搅拌频率的增加而逐渐减小，搅拌 频率为1 0 0 0 h z 时流动速度最大值最大，达到了0 0 0 1 5 7 m s 。从金属熔体区域的 磁感应强度的分布云图可见，由于在熔体区域右上和右下角处的磁感应强度值 较大，所以此处的流动速度值较大。然而较大的流动速度只出现在几个节点处， 其他大部分区域的流动速度都比较均衡。熔体内部的流动速度最小值出现在漩 涡中心附近，其速度几乎为零。金属熔体内部流速最大值随搅拌频率变化的曲 线如图3 - 6 所示。由图3 - 6 可知，最大流速随搅拌频率的增大而减小。 霍n 蝴。 参0 雾。蒜 0 0 0 0 4 1 0 0 01 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 0 f r e q u e n c y ( h z ) 图3 - 6 最大流速随搅拌频率变化曲线 在图3 5 所示的各流场矢量图中，经过最大流速点和漩涡中心取一条路径， 分别得到各路径上各节点处的流速。由于剪切速率等于两液层流速差与其距离 的比值，现假定流场中各液层流速变化是均匀的，于是，不同路径上的最大剪 切速率分别为：0 1 4 4 4 ，0 0 8 9 2 ，0 0 5 3 4 ，0 0 3 3 7 ，0 0 2 2 6 ，0 0 1 5 9 ，0 0 1 1 6 ( s 以) 。 金属熔体内部最大剪切速率随搅拌频率变化的曲线如图3 7 所示。可以看出，最 大剪切速率随搅拌频率的增大而减小。 武汉理 ：大学硕士学位论文 gr n c y ( h z ) 图3 7 最大剪切速率随搅拌频率变化曲线 322 不同电流密度下的流场 模拟电流密度的变化范围是35 7 89 3 ( 1 0 5 a m 2 ) 。在搅拌频率、坯料高径 比和温度都小变( 粘度不变) 搅拌频率为1 0 0 0 h z ，坯料高径比为15 4 ，温度为 6 0 8 ( 粘度为3 3 1 x 1 0 。k g ，ms ) 时，分别取电流密度为3 5 7 1 0 5 a m 2 、 44 6 1 0 5 a m 2 、53 6 x 1 0 5 a m 2 、62 5 1 0 5 a m 2 、71 4 x 1 0 5 a m 2 、80 4 1 0 5 a m 2 、 8 9 3 1 0 5 a m 2 时的结果进行比较。 ( a ) m 口 “ i：! 武汉理j 大学硕士学位论文 - _ h ，_ tb h 6 ，_ * ”一 _ ! ! ! ! ! ! ! ! ( d ) ( g ) 图38 不同电流密度下的流场矢量图 ( a ) 3 5 7 x 1 0 5 a ，m 2( b ) 4 4 6 x 1 0 5 a m 2 ( c ) 53 6 x 1 0 5 a m 2 ( d ) 62 5 x 1 0 5 a m 2 ( e ) 71 4 x 1 0 5 a m 2 ( 0 80 4 1 0 5 a m 2 ( g ) 89 3 x 1 0 5 a m 2 从图3 - 8 中可以看出，金属熔体内部流动速度最大值出现在图中熔体区域的 武汉理工大学硕士学位论文 右上角和右下角处，流动速度最大值随着电流密度的增加而逐渐增大，电流密 度为8 9 3 x 1 0 5 a m 2 时流动速度最大值最大，达到了0 0 0 1 5 7 m s 。熔体内部的流 动速度最小值出现在漩涡中心附近，其速度几乎为零。金属熔体内部流速最大 值随电流密度变化的曲线如图3 - 9 所示。由图3 - 9 可知，最大流速随电流密度的 增大而近似线性增大。 3 a 舢4 伽o5 0 o o o o 7 0 0 0 0 08 0 0 0 0 09 0 0 0 0 0 c u r r e n td e n s i t y ( a ，m 图3 - 9 最大流速随电流密度变化曲线 在图3 8 所示的各流场矢量图中，经过最大流速点和漩涡中心取一条路径， 分别得到各路径上各节点处的流速。于是，不同路径上的最大剪切速率分别为： o 0 2 6 4 ，0 0 4 3 2 ，0 0 6 4 3 ，o 0 8 7 2 ，o 1 0 9 2 ，0 1 2 8 3 ，o 1 4 4 4 ( s 。1 ) 。金属熔体内部 最大剪切速率随电流密度变化的曲线如图3 1 0 所示。可以看出，最大剪切速率 随电流密度的增大而近 0 1 6 0 1 4 o 1 2 n l o 重0 0 8 高 m 历0 0 6 3 0 0 0 0 04 0 0 0 0 05 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 08 0 0 0 0 09 0 0 0 0 0 c u r r e n td e n s i t y ( a m 2 ) 图3 1 0 最大剪切速率随电流密度变化曲线 6 4 2 o 每 e 4 2 | 耋 耋； 哪 哪 嘣 眦 o o o o o o o o s，e一i!。019， 武汉理t 大学硕士学位论文 323 不同坯料高径比下的流场 模拟坯料高径比的变化范围是10 4 1 “。在搅拌频率、电流密度和温度都 不变( 粘度不变) ，搅拌频率为1 0 0 0 h z ，电流密度为8 9 3 1 0 5 a m2 温度为6 0 8 。c ( 粘度为33 1 1 0 一k g ms ) 时，分别取坯料高释比为10 4 、1 1 4 、12 4 、13 4 、 14 4 、15 4 、i6 4 时的结果进行比较。 武汉理1 大学硕l 学位论立 图3 1 1 不同坯料高径比下的流场矢量图 ( a ) 10 4( b ) 11 4( c ) 12 4 ( a ) l3 4 ( e ) l4 4( 0 l5 4 ( g ) 16 4 从图3 1 l 中可以看出，金属熔体内部流速虽大值出现在图巾熔体区域的右 上角和右下角处熔体内部的流速虽小值出现在漩涡中心附近，其速度几乎为 零。随着坯料高径比的增大，流场区域中部的虽小流速区的范围逐渐增大，这 说明，坯料高径比越小，铝合金熔体搅拌得越均匀。坯科高径比为10 4 、l1 4 、 12 4 、13 4 、14 4 时，流速最大值基本保持在o0 0 1 5 8 7m s 。坯料高径比增加到 15 4 时，流速晟大值为00 0 1 5 7 m s ，与o0 0 1 5 8 7 r n s 相比减小了l0 7 ，变化不 大。坯料高径比增加到16 4 时，流速最大值为o0 0 1 4 3 6 m s ，与00 0 1 5 8 7 m s 相 比减小了95 1 。可见，当坯料高径比为15 4 以下，熔体内部流速最大值叮认 为基本不变，当坯料高径比大于15 4 时，熔体内部流速最大值开始显著下降。 金属熔体内部流速最大值随坯料高径比的变化曲线如图3 1 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 o 1 o 0 0 1 5 6 1 01 11 2131 41 51 6 7 r a t i oo fh e i g h ta n dd i a m e t e r 图3 1 2 最大流速随坯料高径比变化曲线 在图3 1 1 所示的各流场矢量图中，经过最大流速点和漩涡中心取一条路径， 分别得到各路径上各节点处的流速。于是，不同路径上的最大剪切速率分别为： 0 1 5 4 8 ，0 1 5 5 8 ，o 1 5 4 2 ，o 1 5 2 9 ，0 1 5 2 3 ，o 1 4 4 4 ，o 1 1 8 6 ( s 。1 ) 。 o1 11 21 3141 51 61 7 r a l i oo fh e i g h ta n dd i a m e t e r 图3 - 1 3 最大剪切速率随坯料高径比变化曲线 金属熔体内部最大剪切速率随坯料高径比变化的曲线如图3 1 3 所示。可以 看出，坯料高径比从1 0 4 增大到1 1 4 时，最大剪切速率与高径比为1 0 4 时相比， 增大了6 4 6 。坯料高径比从1 1 4 增大到1 4 4 时，最大剪切速率呈线性递减趋 势，坯料高径比为1 4 4 时，最大剪切速率与高径比为1 1 4 时相比，减小了2 2 5 。 因此可以认为坯料高径比为1 0 4 、1 1 4 、1 2 4 、1 3 4 、1 4 4 时，熔体内部最大剪 切速率值基本变化不大。坯料高径比从1 4 4 增大到1 5 4 时，最大剪切速率与高 3 2 砼 拈 o o o 鼍一言一9， 懈 惯 伽 鸺 m 僻 伽 仍 伽 ! 兰 o o o o o o o o o o _sv兽m=霉c 武汉理上人学硕士学位论文 径比为l4 4 时相比，减小了5 1 9 。坯料高径比从15 4 增大到l “时，展大剪 切速率与高径比为15 4 时相比，减小了1 78 7 。因此当坯料高径比大干14 4 时，熔体内部最大剪切速率开始迅速递减。 3 24 不同温度下的流场 模拟温度的变化范围是5 9 0 6 0 8 。在搅拌额率、电流密度和坯料高径比都 不变，取搅拌频率1 0 0 0 h z ，电流密度为89 3 x 1 0 5 a m2 ，坯料高径比为i5 4 时， 分别取温度为5 9 0 ( 粘度为4 1 2 1 03 k g ，ms ) 、5 9 3 ( 粘度为39 3 x 1 0 。k g ms ) 、 5 9 6 ( 粘度为37 6 1 0 - 3 k g ms ) 、5 9 9 ( 粘度为36 2 1 0 - 3 k g ms ) 、6 0 2 ( 粘 度为35 x 1 0 4 k g ms ) 、6 0 5 ( 粘度为34 1 0 。k g ms ) 、6 0 8 ( 粘度为 33 1 1 0 - 3 k ms ) 时的结果进行比较。 武汉理上大学硕士学位论文 ( g ) 图31 4 不同温度下的流场矢量图 ( a ) 5 9 05 c( b ) 5 9 3 ( 2 ( e ) 5 9 6 c ( d ) 5 9 9 c ( e ) 6 0 2 。c ( t ) 6 0 5 ( g ) 6 0 8 。c 从图3 1 4 中可以看出，金属熔体内部流动速度最大值出现在图中熔体区域 的右上角和右下角处，流动速度最大值随着温度的升高而逐渐增大温度为6 0 8 时流动速度虽大值最大，达到了00 0 1 5 7 m s 。熔体内部的流动速度最小值出现 在漩涡中心附近，其速度几乎为零。金属熔体内部流速最大值随温度变化的曲 线如图3 一1 5 所示。由图3 1 5 可知，虽太流速随温度的升高而增大。 武汉理工大学硕士学位论文 0 1 5 9 0 0 0 1 5 6 o 0 0 1 5 3 差0 , 0 0 1 , 5 0 g o 伪1 盯 ) o 1 4 4 o 14 鹃85 9 05 9 25 9 45 9 65 9 66 0 06 0 2 46 0 66 0 66 1 0 t e m p e r a t u r e ) 图3 1 5 最大流速随温度变化曲线 在图3 1 4 所示的各流场矢量图中，经过最大流速点和漩涡中心取一条路径， 分别得到各路径上各节点处的流速。于是，不同路径上的最大剪切速率分别为： o 1 3 6 8 ，o 1 3 9 8 ，0 1 4 1 8 ，o 1 4 3 1 ，o 1 4 3 8 ，o 1 4 4 2 ，0 1 4 4 4 ( s 。1 ) 。金属熔体内部 最大剪切速率随温度变化的曲线如图3 1 6 所示。可以看出，最大剪切速率随温 度的升高而增大。 0 1 4 5 0 1 4 4 o 3 0 1 4 2 粤o 1 4 1 暑o 1 4 0 兰o 1 3 9 o 1 3 8 0 1 3 7 n 3 6 5 8 85 5 9 25 9 4啪5 驰6 0 06 0 26 0 46 0 66 6 1 0 t e m p e r a t u r e ( ) 图3 - 1 6 最大剪切速率随温度变化曲线 3 3 正交模拟试验方案设计及结果分析 正交试验法是处理多因素实验的一种科学的实验方法，它可利用正交表来 合理的安排实验，用这种方法只做较少次数的实验便可判断出较优的条件，对 武汉理工大学硕士学位论文 实验结果进行简单的统计分析后可以更全面、更系统地掌握试验结果，做出正 确判断。 为了研究a ( 频率) ，b ( 温度) ，c ( 高径比) 和d ( 电流密度) 四个因 素对最大流速的影响，采用正交试验法，每个因素各取七个水平( 见表3 1 ) 进 行模拟试验1 。用直观分析方法，寻找上述四个因素变化时最大流速的变化规 律以及四个因素影响最大流速的主次顺序。 表3 1正交试验因素水平表 d 因素 abc 电流密度 水乎 频率( h z )温度( ) 高径比 ( a m 2 ) l 1 0 0 0 5 9 0 1 0 4 3 5 7 x 1 0 5 21 5 0 05 9 31 1 44 4 6 x 1 0 5 32 0 0 05 9 61 2 45 3 6 x 1 0 5 42 5 0 05 9 91 3 4 6 2 5 x 1 0 5 53 0 0 06 0 21 4 47 1 4 x 1 0 5 63 5 0 06 0 51 5 48 0 4 x1 0 s 74 0 0 0 6 0 81 6 48 9 3 x1 0 5 表3 2 正交试验方案表 因素 、a bcd最大 ( 列号) 、 ( 频率)( 温度)( 高径比)( 电流密度)流速 试验 、( 1 )( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( x1 0 。3 m s ) 号 l a lb lc 1d l o 2 3 l o 2 a l b 2 c 2d 2 0 3 7 7 0 3 a ib 3c 3d 3 o 5 8 1 0 3 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 a lb 4c ad 4 0 8 2 3 0 5 a ib 5c 5d 5 1 0 8 8 0 6 a 1 b 6c 6d 6 1 3 3 3 0 7 a 1b 7c 7 d 71 4 3 6 0 8 a 2b lc zd 3 0 2 6 3 0 9 a 2b ec 3 d 40 3 8 2 0 1 0 a 2b 3c 4d 5 0 5 2 9 0 l l a 2b 4c 5 d 6 0 7 0 3 0 1 2 a 2b 5c 6 d 70 8 7