基于有限元的模擬擠壓鑄造凝固過程數學模型分析

雪蓮 媛媛

【摘要】通過模擬擠壓鑄造凝固過程中鑄件溫度、應力等方面的有限元模型，該模型主要包含凝固過程中界面傳熱與變形相互作用、沖頭壓力下的變形等。并利用軟件對各種參數下A356鋁合金擠壓鑄造展開模擬計算，模擬與實驗結果一致，表明所建立模型對擠壓鑄造中的熱和力分析是正確的。

【關鍵詞】有限元? 擠壓鑄造? 數學模型

【中圖分類號】TG249.2 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）14-0234-02

1.建立傳熱模型及計算

基于柱坐標下對鑄件形狀實施模擬，便于消除直角坐標系模擬系統有些結果中心不對稱、結果局部失真等弊端。所設的模型用熱焓法實施處理，傳熱微分方程為：

2.1熱-力耦合模擬效果

根據分析可知，擠壓鑄造凝固過程屬于傳熱和變形之間相作用的過程，界面壓力改變及氣隙形成，會改變凝固殼表面傳熱條件，影響型腔的溫度場。因此，構建熱—力耦合模型，動態展現擠壓鑄造凝固與變形之間的相互作用，準確模擬鑄件的凝固及力學行為。

2.2建立鑄件與模具界面傳熱模型

鑄件/模具間界面熱阻會影響傳熱和鑄件凝固過程，界面傳熱模型是熱—力耦合模擬的重點內容，主要包含表面粗糙度、涂料厚度、界面氣隙等。文中依據擠壓鑄造工藝實際情況，指出界面傳熱主要受接觸熱阻、輻射等方面的影響。界面換熱系數求解公式如下：

3.分析擠壓鑄造模擬實例

本研究所用鑄件為A356鋁合金，模具材料為H13鋼，橫截面尺寸設定為80mm*32mm。為掌握不同參數對鑄件質量的影響，挑選4組工藝參數展開擠壓鑄造實驗，鑄件實施冷卻處理后由中間切開，并認真觀察、磨平橫截面。見表1。

4.結論

構建模擬擠壓鑄造凝固過程中鑄件溫度場、應力場變化過程的數學模型，介紹溫度場、應力場有限元模型和針對性的求解方法。通過實例進行模擬，鑄件截面吻合度較好，說明建立的模型對擠壓鑄造凝固環節的熱和力分析基本正確。