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大连理工大学 材料科学与工程学院 硕士研究生学位论文选题报告 姓 名：李佳 学 号 专 业：材料加工工程 论文题目： 指导教师：王同敏 教授 填表日期：2012年 1月 日 1、课题所属研究领域 《船用桨毂体铸造工艺计算机辅助优化设计》属于材料加工工程应用领域。 2、课题的理论意义和应用价值 桨毂体是调距螺旋桨装置的核心部件之一，它既是推进功率的承载部件，又是调距的最终执行机构[1]，故对其质量要求较高。桨毂体外形尺寸大、壁薄、结构复杂，且要求无缩孔、缩松、夹渣等铸造缺陷。砂型重力铸造作为一种传统铸造方式，已无法达到其铸造要求。而立式离心铸造现在被广泛用于制造各种薄壁、不规则形状、大尺寸、高质量的铸件[2]。低压铸造是介于重力铸造和高压铸造的一种铸造方法，兼具重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点，具有充型平稳，补缩效果良好的特点，已成为最有前途的加工工艺方式之一[3]。离心铸造和低压铸造均适合制造高质量的桨毂体，但重力铸造、低压铸造、重力铸造三种铸造方式哪种最适合桨毂体，还有待研究。 随着计算机技术的发展，铸造工艺开始使用数值模拟技术来优化和改进工艺来提高产品质量，缩短产品开发周期[4]。铸造过程的计算机模拟技术已成为当今国际公认的制造科学与材料科学的主要前沿领域，也是改造传统铸造产业的必由之路。通过铸造过程数值模拟技术辅助设计，可直观考察铸件充型凝固过程中多力场作用下流场、温度场的演化，结合判据函数对铸件常见缺陷进行预测，验证工艺设计的合理性，优化工艺参数，从而有效提高工艺设计能力[5]。铸件的形成经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到流动、冷却和收缩3种物理现行。与流动相关的主要铸造缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；凝固过程中的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因。这些缺陷对铸件的质量和性能具有潜在的危害性。采用计算机数值模拟的方法，对铸件在浇注、凝固过程中可能产生的缺陷进行有效的预测，改进产品的设计和生产，是确保铸件的质量重要途径之一。 ProCAST软件采用有限元方法进行模拟计算，可以进行传热计算、充型流动过程计算、热场耦合应力场计算及缩孔缩松预测模拟。除砂型铸造外，ProCAST软件适合模拟的铸造方法还有：半固态铸造、离心铸造、倾斜铸造、精密铸造、压铸、低压铸造、离心铸造等特种铸造方法[6]。实践证明ProCAST软件可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程[7]。 本课题以桨毂体为载体，利用UG软件建立其三维模型，采用ProCAST对重力铸造、低压铸造、离心铸造三种铸造方式的铸件充型及凝固过程进行了模拟，能够直观地观察整个充型和凝固过程，使其以三维形式真实、直观地展现出来。分析比较其流场分布、固相率分布、缩松分布等模拟结果，从而得到桨毂体最适合的铸造方式，并对该铸造工艺进行优化及深入研究分析。 3、国内外研究概况及发展趋势 铸造凝固方面的模拟先于充型过程的模拟，它开始于 60 年代[8-10]，丹麦Forsund 把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算，之后美国 Henzel和 Keuerian 应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。20 世纪 80 年代是数值模拟研究最为活跃的时期，代表性的研究工作包括：1984 年 P.R. Sahm 和 P.N. Hansen 及其合作者在德国所做工作[11]，1984 年J.T.Berry 和 J.A.M.Boulet 在美国所做工作[12]，以及 1987 年日本的 I. Ohnaka 及其同事的研究工作[13]。 充型流动的模拟直到 80 年代初[14-17]，台湾省学者黄文星在美国匹兹堡大学与 R.A.Stoehr 教授一起首先将流体力学的研究成果用于解决铸造充型问题，开辟了充型过程研究的新领域。接着，P.V. Desai、王君卿及 H.J. Lin 等人相继取得了研究进展。但此时的充型过程数值模拟基本上仅限于二维问题。1989 年，H.J.Lin 和黄文星一起开发出了三维数值模拟计算模型，把 MAC 和 SOLA 结合在一起研究三维流动的问题[18]。与温度场数值模拟相比较，由于流场涉及自由表面、流动中的速度和压力以及紊流等更多方面的问题，尤其求解压力场是最消耗时间的，在实际应用中，往往难以满足工艺分析人员的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就变成了一个非常重要的问题。在此领域，已经进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的时限、计算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充型过