基于反热传导法获取消失模灰铁铸件/铸型界面换热系数的研究

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在铸造过程中,铸件与铸型界面的换热直接影响铸件凝固温度场的变化,温度场模拟是铸造CAE技术预测铸件缺陷、组织和性能的基础。在计算机模拟铸件凝固过程中,铸件/铸型界面换热系数不仅是必备的边界条件,也是影响铸件温度场模拟精度的关键因素。然而,界面换热系数难以通过实验直接获取。本文主要研究目标是采用反热传导法获取铸造凝固过程中铸件/铸型界面换热系数。  首先,建立了基于有限差分数值求解算法的温度场数学模型,针对铸件凝固过程中,材料物性参数随温度的变化而发生变化的特点,提出了基于二分查找算法和牛顿插值法处理变化的材料热物性参数的方法,开发了基于变物性参数的温度场求解程序,提高了正热传导计算精度,为界面换热系数反求模型的求解精度提供了保证。  其次,建立了基于反热传导法求解铸件/铸型界面换热系数的数学模型,并且通过假设界面热流的方法验证了模型的准确性,同时重点研究了界面热流形状和最近测温点距离对求解结果的影响。  最后,设计并且实施了在不同的铸型初始温度(T干砂=20℃和T干砂=50℃)下消失模灰铸铁件凝固测温实验。采取了一系列措施保证了实验数据的精度,提高了反问题解的抗不适定性。获得了理想的温度数据,为界面换热系数的反求模型提供输入条件。采用界面换热系数反求模型获取了不同铸型初始温度下的界面换热系数随时间变化的曲线,研究了铸型初始温度对铸件/铸型界面换热系数的影响规律。通过最小二乘法建立了界面换热系数与时间的数学关系式,并应用于铸件温度场计算,模拟结果发现反求获取的界面换热系数有助于提高温度场的模拟精度,为研究消失模铸造界面换热系数提供了一种可行的方法。
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