【毕业学位论文】（Word原稿）铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟-冶金与材料工程

重庆科技学院 毕业设计（论文） 题 目 铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 院 （系） 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普 2005 学生姓名 秦跃林 学号 2005441586 指 导教师 杨治立 职称 副教授 评阅教师 _ _ 职称 _ 2009 年 6 月 10 日注 意 事 项 1. 设计（论文）的内容包括： 1) 封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2) 题名页 3) 中文摘要（ 300 字左右）、关键词 4) 外文摘要、关键词 5) 目次页（附件不统一编入） 6) 论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论、参考文献 7) 附录（对论文支持必要时） 2. 论文字数要求：设计（论文）字数理工类不少于 字，文科类不 少于 字。 3. 附件包括：任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4. 文字、图表要求： 1) 文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写。 2) 工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画。 3) 毕业论文须用 面打印，论文 50 页以上的双面打印。 4) 图表应绘制于无格子的页面上。 5) 软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档。 5. 装订顺序 1) 设计（论文） 2) 附件 按照 任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3) 教师指导毕业设计（论文）情况记录表 4) 其它 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 签字日期 年 月 日 重庆科技学院本科生毕业设计（论文） 铝镍钴定向凝固的瞬态温度场模拟 院（系） 冶金与材料工程学院 专业班级 冶金普 2005 学生姓名 秦跃林 指导教师 杨治立 副教授 2009 年 6 月 10 日 重庆科技学院本科生毕业论文 中文摘要 I 摘 要 铸造铝镍钴磁钢 目前铸造磁钢中综合磁性 能最高的合金。其磁性的稳定性主要受到钢水浇注温度、结晶器冷却速度、铸模烘烤温度等诸多因素的影响。 本文以获得铝镍钴磁钢定向凝固过程中最佳柱状晶组织为主要目的。 针对铸造铝镍钴的定向凝固工艺要求，用大型工具软件 凝固过程的瞬态温度场进行有限元仿真。通过模拟得到不同工艺条件下铸件的完全凝固时间，铸件中心线各点的凝固前沿的温度梯度、生长速度及其它们的比值的变化规律。结果显示：钢水浇铸温度的改变对凝固速度 R、凝固前沿液相温度梯度 影响程度都很大，特别是对两者比值 的影响尤其显著 ；相反，底部热流 密度和铸模烘烤温度的改变对其影响较小。所得模拟结果与生产实际可以很好的吻合，为现场生产工艺的制定提供了理论依据。 关键词： 铝镍钴 有限元 温度场 定向凝固 生长速度 重庆科技学院本科生毕业论文 英文摘要 o is of by in as As of in of of of of of of at of in , is of at of is of to of At a to 目 录 录 中文摘要 . I 英文摘要 . 绪 论 . 1 镍钴磁钢 . 1 镍钴的应用领域 . 1 镍钴的生产工艺类型及特点 . 2 镍钴的定向凝固 . 2 向凝固理论 . 2 向凝固生产工艺类型及特点 . 3 艺因素对定向凝固的影响 . 5 型温度 . 5 却速度 . 5 学元素影响 . 5 口高度的影响 . 6 向凝固过程模拟研究的国内外现状及水平 . 6 维枝晶包膜跟踪法 . 7 磁作用下的定向凝固模拟 . 7 向凝固中的相场模拟 . 8 研究的主要问题 . 8 2 物理模型建立及初始设定 . 10 究对象及几何尺寸 . 10 型有限元模型的初始设定 . 11 种材料物性参数的设定 . 11 始条件的 设定 . 13 界条件的设定 . 13 型有限元模型的简化假设 . 13 3 有限元传热模型 . 13 热控制方程 . 13 建几何显示 . 14 几何模型进行网格划分 . 15 变问题的处理 . 16 4 定向凝固过程瞬态温度场的计算 . 18 拟过程计算思路 . 18 重庆科技学院本科生毕业论文 目 录 态温度场计算原理 . 19 态温度场数据提取 . 20 5 确定最优工艺条件 . 22 水浇铸温度的确定 . 22 部热流密度的确定 . 24 模烘烤温度的确定 . 27 况条件下最佳工艺条件的确定 . 29 6 结论 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 1 1 绪 论 材料一般分为结构材料和功能材料两大 类。功能材料具有一种或几种特定功能的材料，它具有优良的物理、化学和生物功能，在物件中起着“功能”的作用。20 世纪 60 年代以来，各种现代技术如微电子、激光、红外、光电、空间、能源、计算机、机器人、信息、生物和医学等技术的兴起，强烈刺激了功能材料的发展。铝镍钴就是这样一种功能材料。 镍钴磁钢 铸造铝镍钴是以铁和铁族元素为重要组元的合金型永磁材料，又称为永磁合金。这种永磁合金的磁性与合金的组元、含量及制造工艺等有密切联系。铸造铝镍钴磁钢 目前铸造磁钢中综合磁性能最高的合金，制造工艺因素的控制是否得当，对磁性能影响十分明显，尤为突出的是铸件要稳定地获得粗大挺直的柱状晶，只有在具有结晶组构和磁织构双重织构时，在磁性能上才会具有明显的各向异性，从而得到高的磁性能。 镍钴的应用领域 铝镍钴系硬磁合金是以 基的高磁能积、高矫顽力合金，它的主要成分为 加入 （和） 元素，是经适当的热处理或者定向结晶出来而得到各向异性的永磁合金。铸造铝镍钴磁钢属于沉淀硬化磁钢，具有磁滞回线，可用于磁滞马达中，且是当代主要应用的两类金 属硬磁合金之一。 磁性材料的金属成份的构成不同，磁性能也不同，从而用途也不同。在永磁性材料中，铸造铝镍钴永磁有着最低可逆温度系数，工作温度可高达 600 以上。铝镍钴具有高的磁通密度，良好的时间稳定性，耐高温、耐腐蚀性是它的一大优点。铝镍钴主要被应用在马达、传感器、医疗仪器、手动工具、高音喇叭和各种仪表上 1。 音响磁体 对于许多音响设备而言， 公认为是品质优良的磁体， 甜美的高音、平滑的中音以及柔软的低音是铁氧体和稀土永磁扬声器磁 体所不能企及的。因此， 仪表磁体 作为计量仪表所用的磁体有90%左右仍然是 别是 8类磁体。 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 2 粘结 应用于长寿命电度表是一项极富成就的创新，这种用于磁推轴承的磁体由于其高的稳定性和低的阻力，在电表中起着重要作用，中国电表的更新换代，将使磁推轴承赋予生机勃勃的前景。 小型化 将大量应用于通讯等领域 ,如手机的转换开关，蜂鸣器及其它传感器等，现 在已经能生产出 于 将在这些领域占主导地位。 高性能 该磁体仍广泛用于军事工业，如发动机、瞄准器、调速仪表。由于 体在 550时仍能正常使用，因此在某些特殊应用环境下，仍是 主角。 镍钴的生产工艺类型及特点 铝镍钴永磁有两种不同的生产工艺：铸造和烧结。 铸造工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，与铸造工艺相比，烧结产品局限于小的尺寸，其生产出来的毛坯产品尺寸公差小，铸造可加工性好。 烧结产品的 磁性能要 略低于铸造产品，但可加工性要好。铸造铝镍钴工艺可以加工生产成不同的尺寸和形状，强度高，抗腐蚀能力强，具有良好的温度稳定性，最高工作温度可达 600 以上。 镍钴的定向凝固 定向凝固是 在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。自 1965 年美国普拉特 惠特尼航空公司采用高温合金定向凝固技术以来，这项技术已经在许多国家得到应用。 定向凝固技术可以较好地控制凝固组织的晶粒取向，消除横向晶界，获得柱 晶或单晶组织，提高材料的纵向力学性能，因而自它诞生以来得到了迅速发展，并逐渐应用到半导体材料、磁性材料、复合材料等的研制中，并成为凝固过程理论研究的重要手段之一。 向凝固理论 铸件定向凝固需要两个条件：首先，热流向单一方向流动并垂直于生长中的固次 ， 晶体生长前方的熔液中没有稳定的结晶核心 2。为此，在工艺上必须采取措施避免侧向散热 ， 同时在靠近固 是保证定向柱晶和单晶生长挺直，取向正确的基本要素。 获得并保持单向热流是定向凝固成功的重要保证。伴随着 对热流控制（不同的加热、冷却方式）技术的发展，定向凝固技术经历了传统定向凝固技术和新型重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 3 定向凝固技术的发展。 向凝固生产工艺类型及特点 传统定向凝固技术 传统的定向凝固技术主要有发热剂法 （ ） 、功率降低法 （ ）、高速凝固法 （ ）、液态金属冷却法（ ）等 3。 1）发热剂法（ 这是最原始的定向凝固方法，金属熔体内的温度梯度较小，单向传热条件不易保证，凝固一旦开始便无法对其凝固过程进行控制。但是这种方法具有工艺简单、成本低的特点，所以适用于小型的定向凝固实验与生产。 2）功率降低法（ 发展于 20 世纪 60 年代。通过调整上下感应圈的工作状态在金属熔体内形成自下而上的温度梯度。这种方法在凝固过程中金属熔体内的温度梯度 状晶在高度上的粗化比较严重、设备复杂、不易控制，也只适合于在 120下的定向凝固铸件。 3）高速凝固法（ 在稳定获得柱状晶生长的前提下，提高其冷却速度。它的最大特点是在凝固速度快的同时，铸件从下到上可获得致密均匀的柱状晶组织，控制并不困难。已经成为人们设计制造定向凝固装置时最常用的参考装置之一。 4）液态金属冷却法（ 这种方法主要特点在于冷却介质为低熔点的液态金属，所以其冷却强度大而均匀。但设备复杂，操作麻烦，有时低熔点金属可能会污染定向凝固的金属或合金，是人们追求高温度梯度、快冷却速度的必要方法。 表 同凝固方法的主要工艺参数 项 目 度梯度 /(K/7 11 26 30 73 103 生长速度 /(cm/h) 8 12 23 27 53 61 冷却速度 /(K/h) 90 700 4700 局部凝固时间 /5 88 8 12 新型定向凝固技 术 为了进一步提高定向凝固过程中的温度梯度，从而提高凝固速度，最终提高材料的性能，研究者在传统定向凝固技术的基础上，吸收了其它凝固技术如快速重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 4 凝固等的优点，开发出了一些新的定向凝固技术 4。 1） 超高温度梯度定向凝固 这种方法将区域熔化与液态金属冷却相结合，利用感应加热集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。该定向凝固技术，最高温度梯度可达 1300K/大冷却速度可达 50K/s，凝固速率可在 6 1000 m/s 内调节。但是，这种方法单纯采用强制加热来提高温度梯度，从而提 高凝固速度，仍不能获得很大的冷却速度，因为需要散发掉的热量相对而言更多了，故冷却速率提高有限，一般很难达到快速凝固。 2） 深过冷定向凝固 （ 采用玻璃净化和过热相结合的净化方法，获得合金熔体的热力学深过冷，并利用过冷度的遗传性，将熔体深过冷与定向凝固相结合，使熔体在固液界面前沿液相中温度梯度 的条件下凝固。由于深过冷熔体凝固速度很快，凝固时间很短，因此可大幅度提高生产效率，同时可获得改善的组织和性能。但目前深过冷的研究还局限于纯金属或简单的二元合金，对复杂合金的深过冷的获得还存在着不少需要解决的问题 。 3）电磁约束成形定向凝固（ 电磁约束成形定向凝固技术是在电磁场与温度场及其耦合作用的基础上，将电磁约束成形技术与定向凝固技术相结合，利用感应线圈代替传统的结晶器，依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束成形的无模连续铸造技术。可以实现高熔点、大密度合金的无污染或低污染约束成形，对于诸如钛合金、高温合金、难熔金属、高合金钢、各类金属间化合物以及其它难加工成形先进材料的制备具有特别重要的意义。但电磁约束成形定向凝固涉及电磁流体力学、冶金、凝固以及自动控制等多学科领域，目前还处于研究阶段。 4）激光超高 温度梯度快速定向凝固 利用激光表面熔凝技术实现超高温度梯度快速定向凝固，其关键在于：在激光熔池内获得与激光扫描速度方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的激光工艺参数以获得胞晶组织。现在激光超高温度梯度快速定向凝固还处于探索性实验阶段。 5）连续定向凝固技术（ 采用热铸型代替传统连铸中冷铸型，这样可以消除铸型内壁形核的可能性。同时，由于型外冷却作用，使热流沿着拉铸方向由铸型出口向冷却区传输而形成了定向凝固条件。目前已有许多公司采用该技术开发出产品，而且能够生产出那些用其他制造方法不能或很难生产 的特殊工件。不过，在 术中存在着很多可变工艺参数之间的匹配问题，特别是单晶连铸时工艺参数控制要求非常精确。 重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 5 艺因素对定向凝固的影响 型温度 在合金的凝固过程中，应尽可能保持液 固界面以平面方式平稳地沿着凝固方向推进，才能得到粗大挺直的柱状晶，要想保持这种平面凝固， 则界面前沿成份过冷的大小起着决定性的作用，依照成份过冷的判据，平面生长的条件是 5： L /)1(/ （ 式中： 界面前沿液体中的温度梯度， /m R 晶体的生长速度， m/s M 溶质元素使合金液相线下降的能力，即液向线斜率 溶质元素的含量， % D 溶质在液体中的扩大系数 K 溶质元素的分配系数 却速度 浇入的合金与水冷结晶器面板接触后，它的热量主要由结晶器面板吸收并由冷却水导出。结晶面板导热速度的快慢决定了合金的冷却速度也即决定了晶体的结晶速度，而结晶速度的大小为： /)( （ 式中：S、 L 分别为固体、液体的导热系数， 、 分别为固体、液体的温度梯度， /m L 合金的结晶潜热， 3/ 合金密度， 3/对 某 种合 金而言，只要控制 G/R 的比值，就可以控制成份过冷的大小，要想得到大的 G/R 比值，就要提高 G 值和控制好 R 值，对此最有效的工艺手段莫过于提高铸型温度来提高 G 值，实践中只改变铸型温度 （ 其它条件尽量保持不变）， 同一种合金便 将 得到不同的柱状晶组织 。 学元素影响 铝镍钴铸造磁钢中加入 能使合金的矫顽磁力提高，但它是一种细化晶粒的元素，随着含钴量的增加，取得柱状晶组织的难度也增大，当含 大于 8时，此生产条件尚不能制取柱状品铸件，在浇注不含 钢时，铸型温度在 1250 下就能 得到粗大挺直的柱状晶，在浇注 钢时，仅约400 也能很方便地得到下半段为等轴晶，上半段为柱状晶的铸件。 由于加入 类似于钛改善磁性能的作用而对柱状晶的生成无多大影响，我们在生产中保持 5钛的同时，加入 到了较好的磁性能。 结构钢的冶炼中，铝不仅作为终脱氧剂也是作为细化晶粒的元素而加重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 6 入钢内的，在磁钢中是否还有类似的作用呢？实验时在电工钢中加入 上的铝，浇入 1280 左右的铸型中，试件便得到粗 大 的柱状晶组织， 因而当铝含量较高时，能促进柱状晶的生长。 S、 C 等 微量元素：高 钢中加入少量的 S、 可消除外来质点在合金凝固过程中的生核作用， S 及其化合物的熔点都低，在凝固过程中，这些低熔点的溶质原子富集在固 这里液体的平衡温度降低，减少了实际过冷度，降底了晶体的生长速度 R，在 G 值不变的情况下，也就提高了 G/R 值。当合金（ i）含量达到 37时，含 S+C），可得到 S 系或 S+C 系柱状晶，具有良好的磁性能。 口高度的影响 由于铸型温度己高出合金熔点约 100 ，砂型的导热速度比浇入型中的合金液和凝固后的 合金低得多，故铸件中心的过冷度大于边缘处而先行凝固。从沿中心轴线纵剖的试样中可看到：铸件底部激冷端中心部位的晶粒要比边缘部细小得多， 细晶粒与超大晶之间，有一条明显的界线，这条界线就是某一时刻合金中的液 固界面形状，在结晶过程中，这个界面不断沿结晶方向向前推进。由于交界线中心部凸起较高，而铸件高度不大，故总是中心部固相线 到 前边缘部进入冒口区， 因而铸件中心就不像普通砂型铸件那样会产生缩孔、疏松等缺陷。在柱状晶生长过程中，固 液界面前的液体中具有较大的正温度梯度，界面上枝晶伸入液体较短，利于液体向枝晶补缩，故 显微疏松大为减少。因而冒口在这里的作用主要不是补缩，而是造成一个有利于柱状晶生长的温度场，也使合金中的夹杂物、气体等能顺利地排入冒口内，为此将冒口高度较普通砂型铸钢件的冒口减少 2/3， 不但 节约了钢水且仍然获得了生长良好的柱状晶和致密的铸件。 向凝固过程模拟研究的国内外现状及水平 铸造过程的数值模拟始于 20世纪 60年代 6。 1962年，丹麦的 1966年，美国铸造学会传热委员会制定了一项长期规划，拟对铸件凝固电算数值模拟进行系统深入研 究；以密歇跟大学 R D 1968年开始铸件凝固数值模拟的研究工作。 在研究中，以显式有限差分、交替稳式差分和显式差分相比较而建立数值模型，并建立了一系列假设条件，所得计算与实测温度对比，绘出了对比曲线，获得了温度场等时线及等温线分布图。研究指出：热物理参数，特别是铸型的热物理参数，对模拟精度影响极大。 在定向凝固中，热流方向和散热都是定向的，避免了晶粒在侧壁形核长大，同时还抑制了晶粒的横向生长，使晶粒相反于热流方向生长。凝固初始阶段，凝重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 7 固前沿形成大量等轴晶。根据凝固理论，优先长大方向 与热流方向平行的晶粒生长速度快于那些取向不利的晶粒，因此那些取向不利的晶粒遭到淘汰，只剩下少数几个主干方向与热流方向大体平行的柱状晶。等轴晶的纵向性能明显高于横向性能，优化了铸件的组织结构，使高温合金的高温强度，蠕变和持久特性，热疲劳性能大幅度提高，使一些有特殊性能要求的铸件的力学性能有了新的飞跃。 维枝晶包膜跟踪法 将铸件剖分成若干个三维小单元体，其中单元体可分为三类：一是“液相单元”，单元体中只包含液相；二是“包膜单元”，是指含有枝状包膜界面的单元体 ;三是“凝固单元”，这部分是枝晶生长过程中 包膜界面已经突破的单元，“凝固单元”体由部分或全部的固相所组成。在铸件凝固过程中，“液相单元”先转变成“包膜单元”，随着“包膜单元”中包膜面积逐渐增加，“包膜单元”被枝晶包膜突破，单元体转变为“凝固单元”。基于枝晶生长的各向异性，在界面法向方向上邻近的“液相单元”相应转变为“包膜单元”。这样可以通过计算每个时刻包膜单元的表面参数来跟踪枝晶的生长。 三维枝晶包膜跟踪法是由王同敏等研究并应用于合金定向凝固模拟技术的一种新方法，它主要应用于一些对缺陷的存在非常敏感的特殊部件的模拟。孙勇、赵维民等应用此理论方法结合 H 虑枝晶的优先生长方向和枝品尖端的生长动力学，模拟出了二维定向微观组织生长过程。 磁作用下的定向凝固模拟 电磁成形定向凝固是将高温度梯度定向凝固技术与电磁约束成形技术相结合的铸造新技术 7。其无坩埚熔化、无接触成形的特点对于熔化和成形活泼金属、高温合金、难熔金属和高纯金属等具有重要的应用价值，与其相关的试验工作、理论计算与数值模拟均受到相当重视。温度场是该课题研究中的关键问题之一，而其中的温度场又是一个多因素作用下的复杂动态平衡温度场。特别是在稳态抽拉条件下同时 考虑相变吸热与放热问题而又可直接用于数值模拟推导的导热微分方程还不完善。 侯建平、沈军等从实际物理模型和基本的导热方程出发，考虑了各类内热源、冷却、热质运动，特别是考虑了在抽拉条件下的熔化和凝固的相变潜热，建立了电磁约束成形定向凝固三维非线性复杂温度场的导热微分方程。在该方程的基础上可以根据具体试验方案确定对应的边界条件，并通过物性参数的温度内插、外推处理材料非线性问题后对温度场进行模拟计算。牛晓武、赵志龙等采用 0软件对脉冲磁场作用下的 与试 验测量结果进行了比较。訾炳涛、姚可夫通过改变脉冲磁场的强度，重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 8 拟结果和试验现象相符合。 向凝固中的相场模拟 相场模型是一种弥散界面模型，通过考虑有序化势和热力学驱动力的综合作用来建立相场方程 8。该模型认为固、液相之间是渐变的，即界面具有一定厚度。通过引入一个新的变量 相场变量 (r， t)来描述不同的相，将整个计算域作为一个整体，避免了界面跟踪带来的困难，已被广泛用于模拟相变过程中的组织演化问题。 1993 年 先提出纯物质枝晶生长的相场模型以后， 人利用热力学一致条件建立 型。 相场模拟进行了薄界面渐进分析，提出了固液界面厚度可大于毛细长度的概念，建立了可模拟大过冷度范围的新相场模型。此外， 建立了定向凝固时含有第三相组元的共晶合金的相场模型。在国内，近年来对定向凝固相场法模拟也取得了长足进展。于艳梅等采用 型模拟了二元合金等温近似定向凝固以及非等温定向凝固的固液界面形态演变 9。郭景杰等采用相场法模拟了 元合金定向凝固固 液界面形态的演变过程。李梅娥等采用 型耦合抽拉速度模拟了 金定向凝固的界面形态演变、溶质浓度分布等。 相场模型的计算量较大是阻碍实际铸件三维组织模拟的一个重要因素，采用自适应有限元求解技术提高求解效率，改进旋转网格和移动网格法，消除由直接离散求解算法引起的非物理亚稳态，避免数值各向异性，将先进的计算技术应用于微观组织模拟以减小算量、提高计算能力、扩大可模拟的尺度是微观组织模拟的一个发展趋势。 研究的主要问题 从 20世纪末到 21世纪初，定向凝固工艺模拟在很多研究者孜孜不倦的努力中，取得了重要的进步和很大的突破，但还存在着许多问题 10。例如，理论模型大多数都建立在稳定生长的基础上，没有考虑对流、偏析等因素的影响；模拟工作尤其是定向凝固的模拟还停留在初始阶段，有待于进一步发展。 国内在 铸钢定向凝固过程中 温度场 的 有限元模拟研究方面所做的工作 很 少。就公开发表的文献看，目前只有 国营上海群力铸锻厂的沈伯奎 分析了 工艺因素、冒口高度对铝镍钴磁钢定向凝固组织 的影响 ， 并通过 系统实验进行了总结 。 同时对三维铸件的模型数值分析方面可查的只有 西北工业大学张克福、毛协民、傅恒志用边界元法对三维叶片瞬态过程进行了 数值模拟。 也就是说目前国内对 铸钢定向凝固过程中 温度场 的 有限元模拟研究大多数都重庆科技学院本科生毕业论文 1 绪论 9 还是通过现场实际温度测定和简单的数学计算。然而数学计算是在种种假设条件支撑下建立的一种近似理想状态下的模型，计算时对很多条件进行了限制，其中涉及的如导热系数等这些随温度变化的材料物性参数在计算过程中皆设定为常数。有限元法 则 能很好地适应复杂的几何形状、复杂材料特性和复杂的边界条件，是一种非常受欢迎的、应用极广的数值计算方法。它可以尽可能多的减少假设条件，并且可以把各种材料随温度变化的物性参数加载到计算模型中，使模拟结果尽可能接近现场 实际情况 ， 从而更好地解决现场生产中出现的问题。 本文就是采用有限元模拟的方法，对铝镍钴的定向凝固进行模拟。对各种材料的物性参数进行了优化，使几何模型的建立更加接近实际，从而更好的再现定向凝固的全过程，得出能够指导生产实践的工艺条件。 本 文 以获得铝镍钴磁钢定向凝固过程中最佳柱状晶组织为主要目的， 通过使用 模拟铝镍钴磁钢定向凝固过程中铸件及铸模的瞬态温度场，从而得出各个主要因素对定向凝固中柱状晶形成的影响，分析浇铸过程中热损失的主要途径及钢水浇铸温度、 结晶器冷却速度、模型烘烤温度、完全凝固时间对柱状晶形成的影响规律，最终确定不同钢水浇铸温度、结晶器冷却速度、模型烘烤温度、完全凝固时间与柱状晶生长的定量关系，确定最优值。为工业条件下取得具有结晶结构和磁结构双重结构的产品的生产工艺提供理论依据，使之能稳定地制取性能比较理想的柱状晶组织和高磁性能铸件。 重庆科技学院本科生毕业论文 3 有限元传热模型 10 2 物理模型建立及初始设定 在使用 温度场进行有限元模拟前，必须首先确定其初始条件，进而建立其初始温度场，以其作为下一步传热过程瞬态温度场有限元模拟的基础。而这一步骤的工作也决定了计算结果是否能够 真实反映实际物体的传热过程，进而为传热过程重要参数的研究分析提供可靠依据。 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