PIM充模过程的数值模拟分析及其应用的研究.pdf

摘要 本文用有限元分析软件ANSYS对PIM过程进行模拟，把分形混 沌理论、两相流理论和边界层理论应用于PIM过程的研究，针对PIM 充模流动过程模拟中亟待解决的一些问题进行了一系列的基础理论 研究和数值模拟分析。 首先，以流体力学和热力学理论为基础，采用Euler法描述PIM 充模流动，详细推导了充模过程的质量、动量和能量守恒方程，分析 了喂料熔体的流变特性和本构方程，建立了PIM的连续介质模型， 并给出模型在直角坐标系下的分量表示形式。根据流动边界条件和传 热边值条件的数学描述，对基本控制方程的积分表达式进行推导，得 出模壁边界流体是否满足无滑移条件，并不影响PIM连续介质模型 有限元方程的推导和计算过程。根据Galerl(in加权余量法对模型进行 了离散化处理，形成有限元特征方程组，采用VOF方法追踪熔体流 动前沿，给出了对离散化代数方程组进行有限元数值求解的算法。基 于有限元分析软件ANSYS，对PIM喂料的粘度模型进行了二次开发， 将ANSYS的模块功能进行扩充和系统集成，生成了专用于PIM充模 过程模拟的模块，成功地将ANSYS应用于PIM过程的模拟。 其次，利用所开发的PIM过程模拟专用模块，对含绕流情况的 PIM充模流动进行了多种组合模拟，结合实验研究经验和流体力学理 论对模拟结果进行了详细分析。讨论了PIM工艺参数的变化对各种 缺陷形成的影响，给出了利用数值模拟优化工艺参数的方法，用实例 阐释了PIM模拟专用模块的使用方法和技巧。模拟结果表明，在PIM 充模过程中，当熔体绕过内孔交汇时总是前沿中心最先相交，从而在 内模壁边界附近形成气孔和空洞等缺陷。在绕流交汇区是否产生熔接 线主要由交汇时熔体的温度和粘度决定，不同注射速度所形成的熔接 线位置和形状及其变化过程也不同。若注射速度快，在绕流交汇区域 形成气孔和空洞的可能性就大。复杂型腔和绕流内模壁的存在更容易 形成喷射。因此，如果模具排气孔位置设计不当将不可避免地导致成 形坯产生气孔和空洞等缺陷，用模拟结果指导模具设计是控制熔接 线、气孔和空洞等缺陷产生的有效方法。由于内部粘性摩擦热的产生 使某些局部区域的瞬时温度比喂料熔体初始注射温度还高，且局部区 域最高温度的持续时间非常短暂，这有可能使粘结剂失效或材料性能 改变而形成缺陷。当模腔接近充满时压力急剧增大，速度和粘度分布 随之发生急剧变化，导致充模结束时粘度分布非常复杂，但模腔充满 后最高粘度的位置与注射速度、温度和浇口位置等无关，它由模具的 几何形状唯一确定。根据熔体粘度的变化过程和最终分布情况可以分 析和预测PIM特有的粉末．粘结剂两相分离和成形坯件中粉末分布不 均的现象，根据模壁边界及其邻近结点粘度的变化可以预测模壁边界 凝固层的形成及其厚度随时问变化的情况。 再次，将分形混沌理论引入PIM过程的研究，论述了粉末注射 成形过程存在着许多分形混沌现象，给出了粉末颗粒边界、表面和空 间复杂特性分形维数的计算方法，计算了羰基铁和羰基镍粉末投影边 界的分形维数。利用分形图形的计算机生成方法，给出了颗粒边界轮 廓线和颗粒形貌的分形模拟方法。分析了粘结剂和混合喂料的分形混 沌现象，以及粉末分形特征对PIM喂料粘度的影响，给出了含粉末 分形特征参数的喂料粘度计算公式。分析了充模过程的数学模型与混 沌现象产生的关系，用数值模拟结果说明了PIM充模过程中温度、 压力、速度和粘度变化过程的混沌现象，计算了温度和压力等变化曲 线的分形维数。数值模拟结果说明注射速度、温度和混合喂料初始粘 度的微小扰动会导致PIM充模流动状态产生突变现象。指出了分形 混沌理论应用于PIM研究的五个方向。 最后，从Boltzmann方程出发建立了PIM粉末．粘结剂两相流模 型，假设粉末颗粒完全由粘结剂包裹，将粉末颗粒视为非完全弹性体， 分析了粉末．粘结剂两相流模型中的碰撞模式，给出了利用计算流体 力学软件对两相流模型进行数值模拟的实现方法。将微流边界层理论 应用于PIM过程的研究，给出了模壁边界凝固层厚度的计算公式。 用边界层分离的动力学原理分析了PIM绕流内模壁附近气孔形成的 机理，从理论上说明了PIM绕流内模壁附近气孔的形成是完全可以 控制和消除的。分析了常规边界层和微流边界层的控制方法及其在 PIM过程中的应用，说明了边界层抽吸方法可用于控制PIM充模流 动过程湍流现象发生和相应缺陷的产生。利用微流边界层理论分析论 证了PIM充模流动过程中存在着固壁滑移现象，说明了正是由于固 壁滑移现象的存在，降低了熔体流动