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畢業(yè)設(shè)計(論文)
文獻(xiàn)翻譯
分餾和半固態(tài)漿料充型
摘要：介紹了分餾和半固態(tài)漿料的充填模具，并對模具的幾何形狀，流入速度，噴嘴直徑，和部分固體范圍的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。泥漿被假定為非牛頓流體的剪切變薄。分餾決定了從注入泥漿的溫粒子的運(yùn)動軌跡。結(jié)果表明，相對于模具分餾與改變錐形模具形狀，高流入速度，大型噴嘴直徑，低分?jǐn)?shù)固體分離有關(guān)。
關(guān)鍵字：鑄造，分餾，數(shù)學(xué)分析，非牛頓流體，泥漿
1 介紹
半固態(tài)漿料處理被廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)彌散強(qiáng)化，金屬基由近網(wǎng)狀的形狀組成。復(fù)合材料的性質(zhì)強(qiáng)烈的依賴泥漿流變和模具填充特點(diǎn)。泥漿流變特性比較復(fù)雜，有被剪切依賴和觸變特性。模具填充泥漿變得更為復(fù)雜，因為發(fā)生相分離或分餾，這取決于系統(tǒng)的運(yùn)行情況。本文探討這個問題在固體模具中填充高分?jǐn)?shù)泥漿液。
Suery實驗的作品[1]，Suery和Flemings[2]，F(xiàn)lemings[3]，證明了剪應(yīng)力在固態(tài)錫鉛合金上影響機(jī)械性能和在固化復(fù)合材料上影響相分離。數(shù)值模擬Ohnaka[4]，半凝固的泥漿液被用于設(shè)計復(fù)雜鑄件形狀的工業(yè)生產(chǎn)。
然而，對其研究相對較少，但已經(jīng)解決了半固態(tài)漿料分餾的問題。Secordel和Valette[5]提供一些實驗數(shù)據(jù)，半固態(tài)鋼擠壓過程中呈現(xiàn)出流入速度和液體之間排斥的直接關(guān)系。然而，這項研究僅限于穩(wěn)態(tài)行為?？夏岬虾虲lyne[6]進(jìn)行了粒子遷移的準(zhǔn)一維分析，在凝固過程中加工金屬基復(fù)合材料。被認(rèn)為是孤立的粒子動力學(xué)，并沒有任何證據(jù)的結(jié)果證明高度裝載的泥漿可能是適用于實際利益的。
本文假設(shè)等溫條件下半固態(tài)漿料的充型過程相分離。分餾被確定在引進(jìn)的進(jìn)口漿孤立顆粒的運(yùn)動軌跡。這些粒子被允許交換泥漿的動量。一系列運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了調(diào)查，包括流入率，部分固體，噴嘴直徑，和模具的幾何形狀。
2 制定
圖1所示是從圓柱模具和圓錐模具的系統(tǒng)考慮。在進(jìn)口的模具直徑為2.54厘米，噴嘴直徑范圍是從1.27至2.03厘米。一個半固態(tài)漿料的Sn-15％Pb合金被注入到每個模具的底部。其目的是要使用適當(dāng)?shù)哪酀{流變的模型來表示充模過程以及可能的相分離（或分餾）。這一過程用數(shù)學(xué)守恒方程來作為解決方案，表示等溫條件下所需求解質(zhì)量和動量，以及泥漿流變學(xué)，粒子動力學(xué)，自由表面能。
泥漿假定是表現(xiàn)得像非牛頓液體一樣強(qiáng)烈依賴對剪切速率[7],[8]粘度。
這個簡單的定律模型已經(jīng)證明，充分再現(xiàn)剪切變稀，半固態(tài)漿料的基本特征[7],[8]，由此可以表示為下列方程：
圖1 描述模具灌裝操作示意圖（a）圓柱模具及（b）錐形模具
質(zhì)量守恒定律：
? . = 0 （公式1）
動量守恒：
（公式2）
在此p是靜態(tài)壓力、的速度矢量，的剪切應(yīng)力張量與漿液粘度μ，因此：
（公式3）
確定μ，泥漿被假設(shè)為一個具有非牛頓流體定律流變特性的漿液，從而[9]：
（公式4）
在Δ變形速率的張量，(Δ ：Δ)產(chǎn)品的損傷度Δ，m和n定義為是實證系數(shù)[9],[10]：
m = exp(9.783?s+1.435) （公式5) n=0.1055+0.41?s ?s<0.30
n=-0.308+1.78?s ?s0.30 （公式6）
雖然從半固態(tài)的錫鉛合金[9],[10]數(shù)據(jù)上，派生出公式5和6的關(guān)系，Ilegbusi和Sekely[7],[8]已經(jīng)證明其他合金系統(tǒng)也有效性。
3 分餾測定
準(zhǔn)多相方法被用來量化分級。具體來說，已知數(shù)量的粒子被泥漿注入到模具中，對這些粒子的軌跡和動態(tài)進(jìn)行了調(diào)查。這些粒子被允許相互連續(xù)交換動量。假設(shè)一個粒子從域中刪除，如果打在了墻上，或者被困在回流區(qū)。
測量在模具中各部分剩余泥漿的顆粒余額，然后數(shù)值計算確定分離程度。分餾這里定義為：
(公式7)
在這里n是流入的粒子總數(shù)，，是通過這個模具仍然留在高處的預(yù)測泥漿粒子總數(shù)目，z，表示以上的噴嘴預(yù)測的總和。
4 數(shù)值計算方法
微分方程(公式 1、2)與全隱格式數(shù)值求解，有限域方案體現(xiàn)在PHOENICS軟件代碼(濃度、熱、動力有限公司[CHAM]，英國，溫布爾登)[11]。處理速度-壓力耦合處理的使用簡單的算法[12]。
模具填充涉及兩種不同的媒體(泥漿和空氣)自由的表面相互作用的過程。這種劇烈的界面屬性用標(biāo)量方程的數(shù)值方法來表示[11]，采用Van Leer方案[13]。在所有的計算，一個30到50網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，再加上一次0.001秒的時間長被用來做完整的模具填充。
5結(jié)果
計算并分析了填充模具的幾何形狀，流入率，相對模具的噴嘴直徑，和充填部分固體對分餾的影響。由于對稱性，在每一種情況下僅有一半的模具被考慮。
圖2顯示了灌裝過程在0.5秒后注射模具的中間階段。這兩種系統(tǒng)由于漿液的高速噴射都表現(xiàn)出軸漿觸變性特點(diǎn)。當(dāng)射流穿透時，由于較大的負(fù)面壓力梯度較低，因此，圓柱形模具與錐形模具相比會發(fā)生自由面偏轉(zhuǎn)。此外，由于圓錐模具產(chǎn)生高剪切速率提高剪切變稀和泥漿的流動性和抑制自由面波。
這個結(jié)果是很重要的，因為一個主要原因在于從底部進(jìn)行實驗操作會減少干擾的預(yù)
圖2 漿后0.5秒的速度場的進(jìn)展（a）圓柱和（b）圓錐（V =0.4米/秒，fs= 0.6，Dn=0.6馬克）
期效果并調(diào)整在曲面上澆注。然而，這一趨勢通常是真實的純?nèi)垠w充模，結(jié)果表明這里有些不同的行為，并彰顯出半固態(tài)漿料流變的復(fù)雜性。顯然，曲面抑制干擾可以通過使用一個圓錐模具來實現(xiàn)。
圖3給出的流入速度在模具中的分餾效果。一般在反應(yīng)器內(nèi)降低分餾流入速度會減少在漿模具的停留時間和增加界面拖曳力。但是在本質(zhì)上它們相對于模具在高速度、更小的圓錐模具的低流量分餾水平是一樣的。這種趨勢一致的呈現(xiàn)在圖2和圓錐模具有較大拖曳力的流態(tài)中。
圖4給出了在分餾入口的噴嘴直徑（Dn）大小的影響。當(dāng)噴嘴直徑增加時分餾會減少，這是由于減少了噴嘴與墻之間的循環(huán)流大小，增加了相對于模具（Dm）的噴嘴直徑。回流區(qū)促進(jìn)顆粒的保留，因此，fs分餾率在分餾時的變化是很大的，因為相同的噴嘴直徑錐形模具和圓柱形模具相比有較小的回流區(qū)。
圖5顯示了在分?jǐn)?shù)漿料固體變化時，fs分餾率也有所變化的。在分餾時觀察到了當(dāng)高比例固體減少，會導(dǎo)致流動阻力的增強(qiáng)。
6 結(jié)論
通過圓柱形模具和圓錐模具配置對半固態(tài)漿料充型過程的分餾進(jìn)行了研究。并對下注射速度，噴嘴面積和部分固體范圍內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查。估計分餾時注入的泥漿顆粒
圖3 完整的灌裝入口速度對分餾變化影響
留在系統(tǒng)中各種模具軸向部分的比例來求解確定的溫粒子運(yùn)動方程。這項研究的主要發(fā)現(xiàn)是，分餾是強(qiáng)烈依賴的加工條件和模具幾何形狀的。這是減少了高流入的速度，增加了相對于模具的進(jìn)口的噴嘴面積和低分?jǐn)?shù)固體泥漿。一般在錐形模具低于在圓柱形模具的分餾率。它們充模過程的特點(diǎn)是由泥漿噴射決定的。在錐形模具泥漿噴射和自由表面失真度會減少。
這些成果具有重大的現(xiàn)實意義。具體來說，對于成功轉(zhuǎn)換為先進(jìn)的工程組件所需的最小相分離，大噴嘴直徑相對高固相分?jǐn)?shù)的漿料是快速填充模具所必需的。結(jié)果還表明，大的拖曳阻力是通過減少模具幾何形狀，提高流動性（或剪切變稀特性），并降低泥漿相分離來實現(xiàn)的。
圖4 完整的灌裝分餾的軸向變化對 圖5 完整的灌裝分餾的軸向變化對
噴嘴直的影響 分?jǐn)?shù)固體的影響
致謝
這項工作得到了國家自然科學(xué)基金，批準(zhǔn)號：DMI-9612497，達(dá)勒姆Delcie，博士項目經(jīng)理支持。
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