PIM充模過程的數(shù)值模擬分析及應(yīng)用研究.pdf

1、本文用有限元分析軟件ANSYS對PIM過程進行模擬，把分形混沌理論、兩相流理論和邊界層理論應(yīng)用于PIM過程的研究，針對PIM充模流動過程模擬中亟待解決的一些問題進行了一系列的基礎(chǔ)理論研究和數(shù)值模擬分析。 首先，以流體力學(xué)和熱力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用Euler法描述PIM充模流動，詳細推導(dǎo)了充模過程的質(zhì)量、動量和能量守恒方程，分析了喂料熔體的流變特性和本構(gòu)方程，建立了PIM的連續(xù)介質(zhì)模型，并給出模型在直角坐標系下的分量表示形式。根據(jù)流

2、動邊界條件和傳熱邊值條件的數(shù)學(xué)描述，對基本控制方程的積分表達式進行推導(dǎo)，得出模壁邊界流體是否滿足無滑移條件，并不影響PIM連續(xù)介質(zhì)模型有限元方程的推導(dǎo)和計算過程。根據(jù)Galerkin加權(quán)余量法對模型進行了離散化處理，形成有限元特征方程組，采用VOF方法追蹤熔體流動前沿，給出了對離散化代數(shù)方程組進行有限元數(shù)值求解的算法?；谟邢拊治鲕浖嗀NSYS，對PIM喂料的粘度模型進行了二次開發(fā)，將ANSYS的模塊功能進行擴充和系統(tǒng)集成，生成了專用

3、于PIM充模過程模擬的模塊，成功地將ANSYS應(yīng)用于PIM過程的模擬。 其次，利用所開發(fā)的PIM過程模擬專用模塊，對含繞流情況的PIM充模流動進行了多種組合模擬，結(jié)合實驗研究經(jīng)驗和流體力學(xué)理論對模擬結(jié)果進行了詳細分析。討論了PIM工藝參數(shù)的變化對各種缺陷形成的影響，給出了利用數(shù)值模擬優(yōu)化工藝參數(shù)的方法，用實例闡釋了PIM模擬專用模塊的使用方法和技巧。模擬結(jié)果表明，在PIM充模過程中，當(dāng)熔體繞過內(nèi)孔交匯時總是前沿中心最先相交，從而

4、在內(nèi)模壁邊界附近形成氣孔和空洞等缺陷。在繞流交匯區(qū)是否產(chǎn)生熔接線主要由交匯時熔體的溫度和粘度決定，不同注射速度所形成的熔接線位置和形狀及其變化過程也不同。若注射速度快，在繞流交匯區(qū)域形成氣孔和空洞的可能性就大。復(fù)雜型腔和繞流內(nèi)模壁的存在更容易形成噴射。因此，如果模具排氣孔位置設(shè)計不當(dāng)將不可避免地導(dǎo)致成形坯產(chǎn)生氣孔和空洞等缺陷，用模擬結(jié)果指導(dǎo)模具設(shè)計是控制熔接線、氣孔和空洞等缺陷產(chǎn)生的有效方法。由于內(nèi)部粘性摩擦熱的產(chǎn)生使某些局部區(qū)域的瞬時

5、溫度比喂料熔體初始注射溫度還高，且局部區(qū)域最高溫度的持續(xù)時間非常短暫，這有可能使粘結(jié)劑失效或材料性能改變而形成缺陷。當(dāng)模腔接近充滿時壓力急劇增大，速度和粘度分布隨之發(fā)生急劇變化，導(dǎo)致充模結(jié)束時粘度分布非常復(fù)雜，但模腔充滿后最高粘度的位置與注射速度、溫度和澆口位置等無關(guān)，它由模具的幾何形狀唯一確定。根據(jù)熔體粘度的變化過程和最終分布情況可以分析和預(yù)測PIM特有的粉末．粘結(jié)劑兩相分離和成形坯件中粉末分布不均的現(xiàn)象，根據(jù)模壁邊界及其鄰近結(jié)點粘度

6、的變化可以預(yù)測模壁邊界凝固層的形成及其厚度隨時間變化的情況。 再次，將分形混沌理論引入PIM過程的研究，論述了粉末注射成形過程存在著許多分形混沌現(xiàn)象，給出了粉末顆粒邊界、表面和空間復(fù)雜特性分形維數(shù)的計算方法，計算了羰基鐵和羰基鎳粉末投影邊界的分形維數(shù)。利用分形圖形的計算機生成方法，給出了顆粒邊界輪廓線和顆粒形貌的分形模擬方法。分析了粘結(jié)劑和混合喂料的分形混沌現(xiàn)象，以及粉末分形特征對PIM喂料粘度的影響，給出了含粉末分形特征參數(shù)的

7、喂料粘度計算公式。分析了充模過程的數(shù)學(xué)模型與混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的關(guān)系，用數(shù)值模擬結(jié)果說明了PIM充模過程中溫度、壓力、速度和粘度變化過程的混沌現(xiàn)象，計算了溫度和壓力等變化曲線的分形維數(shù)。數(shù)值模擬結(jié)果說明注射速度、溫度和混合喂料初始粘度的微小擾動會導(dǎo)致PIM充模流動狀態(tài)產(chǎn)生突變現(xiàn)象。指出了分形混沌理論應(yīng)用于PIM研究的五個方向。 最后，從Boltzmann方程出發(fā)建立了PIM粉末-粘結(jié)劑兩相流模型，假設(shè)粉末顆粒完全由粘結(jié)劑包裹，將粉末顆

8、粒視為非完全彈性體，分析了粉末粘結(jié)劑兩相流模型中的碰撞模式，給出了利用計算流體力學(xué)軟件對兩相流模型進行數(shù)值模擬的實現(xiàn)方法。將微流邊界層理論應(yīng)用于PIM過程的研究，給出了模壁邊界凝固層厚度的計算公式。用邊界層分離的動力學(xué)原理分析了PIM繞流內(nèi)模壁附近氣孔形成的機理，從理論上說明了PIM繞流內(nèi)模壁附近氣孔的形成是完全可以控制和消除的。分析了常規(guī)邊界層和微流邊界層的控制方法及其在PIM過程中的應(yīng)用，說明了邊界層抽吸方法可用于控制PIM充模流動