[发明专利]一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟装置和方法

权利要求书

1.一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟方法，其特征在于，所述实验模拟方法采用的实验模拟装置包括陶瓷铸型，在所述陶瓷铸型的表面安装有由多个温控单元组成的温控组件，该温控组件与一台控制电脑连接，在所述陶瓷铸型的两端装有隔热端板，所述的实验模拟装置还包括被置入所述陶瓷铸型上部的熔体流场驱动装置；所述的温控组件通过一个电脑连接端口与所述控制电脑连接，该电脑连接端口与所述温控组件紧贴安装；所述温控单元包括冷却单元、测温单元和加热单元；所述熔体流场驱动装置是电磁泵或者机械泵；

所述实验模拟方法包括以下步骤：

A1，利用有限元软件对金属熔体浇铸凝固后的铸件对象几何建模，并进行初步的浇铸凝固过程模拟，将模拟结果中出现缺陷的典型部件进行离散化，获得离散部位的边界条件；

A2，根据离散部位的三维尺寸构建铸型，铸型采用具有较高耐热温度的陶瓷铸型；

A3，将温控组件固定在陶瓷铸型壁上，温度场的建立通过控制电脑机，根据有限元模拟的边界条件对陶瓷铸型壁上的温控单元进行设定；

A4，在陶瓷铸型的上方开口处设置一熔体流场驱动装置，该熔体流场驱动装置的入口位置以及出口位置、入口方向以及出口方向和功率以及转速能够调节控制；

A5，根据有限元模拟结果设定边界条件以及相关变量条件后，将熔体浇入铸型，按照所研究的铸件的有限元模拟特征进行试验模拟并验证。

2.如权利要求1所述的用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟方法，其特征在于，还进一步包括步骤A6，采用步骤A1至A5，对铸造过程进行优化，获得更优化的铸造条件。

3.一种用于研究金属熔体在温度场-流场耦合条件下凝固过程的实验模拟方法，其特征在于，所述实验模拟方法采用的实验模拟装置包括陶瓷铸型，在所述陶瓷铸型的表面安装有由多个温控单元组成的温控组件，该温控组件与一台控制电脑连接，在所述陶瓷铸型的两端装有隔热端板，所述的实验模拟装置还包括被置入所述陶瓷铸型上部的熔体流场驱动装置；所述的温控组件通过一个电脑连接端口与所述控制电脑连接，该电脑连接端口与所述温控组件紧贴安装；所述温控单元包括冷却单元、测温单元和加热单元；所述熔体流场驱动装置是电磁或者机械泵；

所述实验模拟方法包括以下步骤：

B1,对所研究的大型铸件进行几何建模，并用经过小型铸件验证过模型有效性的有限元模型对大型铸件的浇铸凝固过程进行模拟；

B2,选择容易出现铸造缺陷的典型部位，对其进行3D建模，并按照3D模型准备陶瓷铸型；

B3,根据有限元模拟结果，将所建3D模型在大型铸件上的温度和流场特征提炼成为实验模拟的边界条件和变量，输入实验模拟装置的控制电脑；

B4,在陶瓷铸型表面安装多个温控单元组成的组件，并与控制电脑进行连接；

B5,在陶瓷铸型两端加装隔热板，并对其进行预热；

B6,将陶瓷铸型外侧温度设置为浇铸温度，并向陶瓷铸型中浇铸金属熔体；

B7,将熔体流场驱动装置置入陶瓷铸型上侧，将其入、出口均没入熔体液面以下少许距离，并按照流场方向设置好出入口位置；

B8，将陶瓷铸型外侧的温控单元，按照有限元模拟结果所得的温度场分布进行设置，并按温度场变化情况调节各温控单元温度；

B9，控制熔体流场驱动装置的出入口位置，以及熔体流动速度，在陶瓷铸型内部为凝固熔池部分创造与凝固过程中的熔体流场类似的熔体流动；

B10，在上述模拟条件下，熔体在陶瓷铸型中冷却形成铸件，该铸件即为所研究条件下大型铸件典型部位的凝固组织。