搅拌模拟开题报告(共17页)

1、吉林大学(j ln d xu)2013级硕士(shush)毕业论文开题(ki t)报告论文题目：机械搅拌制备SiCp颗粒增强复合材料的数值模拟姓 名： 闫禹伯 专 业：材料加工工程学 号： 2013432109 指导教师: 王金国(教授)吉林大学2015 年 3 月 12 日吉林大学硕士毕业论文开题报告 PAGE 201 选题(xun t)意义金属基复合材料具有高的比强度和较好的耐腐蚀性能，其在工业(gngy)领域有着非常广泛的应用。金属基复合材料同时具有很好的可设计性，通过改变增强体的类型、表面状态、体积分数(fnsh)以及基体材料，使复合材料达到相关的要求。制约金属基复合材料广泛应用的一个

2、重要因素就是其高昂的制备成本。制备金属基复合材料的目标就是充分结合金属与陶瓷二者的优良的性能，通过添加高强度、高弹性模量的颗粒到韧性的金属基体中以获得一个力学性能介于增强体与基体之间的复合材料。金属具有很多优良的性能，如高强度，良好的延展性，但其刚度较低，而陶瓷虽很脆，但其具有高的比强度和刚度。例如，SiC颗粒的强度为600MPa，杨氏模量为350 500GPa，铸态的2014铝合金强度仅为200MPa，杨氏模量为72.4GPa，而由二者复合而成的10 vol.% SiC/2014复合材料的强度能达到569.7MPa，杨氏模量也能达到120.9GPa1-3，经过复合后，材料的力学性能有了显著的

3、提高。颗粒增强金属基复合材料的主要制备工艺有粉末冶金、挤压铸造、搅拌铸造、高能球磨法和高能超声复合法等工艺4, 5。根据制备方法的不同，所制备出的复合材料中颗粒的分散性及颗粒与基体之间的界面情况也不一样。每种制备工艺都想要尽可能地获得颗粒分布均匀且与基体结合良好的复合材料5。这些制备工艺各有所长，也各有所短。实际应用中，可以根据需要来选择更合适的制备工艺。粉末冶金法的优点是没有界面反应的存在，可以用来制备高体积分数的复合材料。同时，基体可以选用任何合金，增强体也可以使用几乎所有种类的增强相。其存在的问题就是成本高，一般需要二次成型，且工艺程序复杂6。挤压铸造法（也称浸渗法）可制备出形状与最终制

4、品相似甚至相同的产品。由于其冷却速度快，故可降低及至消除界面反应，且增强相的体积分数可在较大范围内变动。其缺点是不易制备形状复杂的产品，且对增强体颗粒损害较为严重7。高能超声复合法利用声流效应及空化效应打散成团的颗粒，进而促进颗粒在金属熔体内的均匀分布。高能超声兼具有除气、除渣的作用。但超声工具头的工作温度范围一般在600750之间，因而一般只适用于熔点相对较低的铝（镁）基金属复合材料的制备。另外超声工具头易被金属熔体腐蚀，给所制备复合材料添加了杂质成分8。喷射沉积法能有效地控制基体与增强体的界面反应，材料夹杂物含量少，是一种值得大为推广的制备复合材料的方法，但其工艺还有待于完善，且不能制备高

5、体积分数的复合材料9。高能球磨法将增强颗粒均匀分散到基体合金粉末中，能使合金粉末成分更加均匀且获得较为细小的晶粒组织。其具有工艺简单、易于批量生产的优点10, 11。机械(jxi)搅拌制备(zhbi)颗粒(kl)增强金属基复合材料由于其简便、灵活，而被广泛应用。它是所有制备颗粒增强金属基复合材料中最经济节省的方法，且能用于制备大体积大尺寸的铸件12。Skibo等13曾报道过，采用铸造方法制备复合材料的成本是其它具有竞争力方法的33%50%左右。对于高体积分数的复合材料来说，这一比例下降到约十分之一。加拿大和美国在机械搅拌制备金属基复合材料方面的研究比较成熟，并在航空航天、汽车等领域得到了相应的

6、应用。Cercast公司生产的SiCp/A357复合材料已经应用于飞机摄像镜方向架上；俄罗斯航空航天总部成功地将SiCp/Al复合材料应用在飞机起落架、翼前缘加强筋上。在汽车方面，Alcan公司于1995年生产的SiCp/Al复合材料汽车刹车片，在丰田汽车中得以使用。虽然我国早在九十年代就已经开始了这方面的研究，并取得了一定的成果，但是所制备出的材料的物理性能与其它国家相比还有较大的差距，还难以进行大规模的应用和生产。要推广其应用，关于复合材料的制备及成型工艺还需要做大量的研究14。机械搅拌制备SiCp/Al存在的主要问题有， SiC颗粒的团聚、重力沉降，界面反应较严重，制备出的复合材料气孔率

7、较高等问题。这其中，SiC颗粒在复合材料中分布的均匀性有着至关重要的影响。颗粒的分散主要是通过搅拌槽内的搅拌来实现的，合适的搅拌桨及搅拌工艺直接影响着颗粒的均匀性。虽然搅拌混合技术是一个非常古老常见的操作，但由于搅拌槽内流动情况的复杂性，机械搅拌过程中搅拌桨的设计还主要凭借经验，缺乏系统性的研究。而计算机流体动力学的诞生极大地促进了搅拌过程中的研究。它可以模拟不同搅拌桨形式，不同浸入深度，不同安装方式等等条件下，搅拌槽内流场的分布及其对颗粒分散的影响。而且这些影响的结果都是可视化的，可以很好地指导搅拌桨的优化设计，确定合适的搅拌工艺。2.研究(ynji)现状搅拌铸造法制备金属基复合材料已经(y

8、 jing)有了四十余年的历史，由于其具有设备简单，生产效率高，应用广泛等优点而被越来越多的关注，搅拌铸造法是将增强体加入到液态或半固态的合金中，利用高速旋转的搅拌桨搅动合金液产生的漩涡将加入的增强体不断卷入，从而达到均匀混合和相互浸润的目的，使颗粒均匀分布在熔体中，然后浇铸成铸件、锭坯等。搅拌铸造法的制备成本非常低廉，仅为其他成本的三分之一至十分之一左右15，是最有可能实现工业规模化生产颗粒(kl)增强金属基复合材料的制备方法。搅拌铸造根据搅拌过程中金属的存在形态可以分为液态搅拌，半固态搅拌和复合搅拌三种工艺形式。搅拌温度在合金液的液相线以上，搅拌结束后浇注的搅拌工艺为液态搅拌工艺;当熔化的

9、合金冷却到半固态区间时才开始加入增强体进行搅拌，增强体搅拌均匀后直接进行浇注的搅拌工艺称为半固态搅拌工艺;在合金液的半固态区间将增强体搅拌均匀后，继续升温搅拌到液相线以上进行才进行浇注的搅拌工艺成为复合搅拌工艺。研究表明在复合材料中采用复合搅拌铸造工艺能够改善增强体分布和降低材料内部气孔含量16。国内很多大学和科研单位的研究者都在不断对搅拌铸造工艺流程、工艺参数和实验设备进行试验和优化，来解决搅拌铸造法制备颗粒增强铝基复合材料中存在的问题17，18。曾国勋等19采用液相线以上温度的搅拌工艺制备了SiCp/Al 复合材料，发现 SiC 和基体界面结合是良好的冶金结合。齐海波等20在非真空条件下通

10、过对半固态搅拌熔炼-液态模锻工艺参数的优化，制备出的SiC 颗粒增强铝基复合材料中颗粒分布均匀，基本消除了气孔、缩松等铸造缺陷，其拉伸屈服强度比基体铝合金提高了 17%，但延伸率明显降低，耐磨性有一定程度的增加。袁广江21等采用真空搅拌铸造法制备了体积分数为 20vol.%的SiC 颗粒增强铝基复合材料，结果表明 SiC 颗粒在基体中分布均匀，复合材料抗拉强度和弹性模量与基体合金相比都显著增加，延伸率降低。耿林等22采用半固态搅拌法制备(15%SiCp+5%ABOw)/6061Al 复合材料，并对晶须涂覆工艺对组织和性能的影响进行了分析。 虽然搅拌铸造法是制备金属基复合材料最简单、最经济的方法

11、，整个(zhngg)工艺可以是连续的或半连续的，但是搅拌铸造中的一些困难也很突出，主要有颗粒的含量控制、颗粒分散均匀性、界面的化学反应和气孔等几方面的困难有待于研究解决23,24。 首先，向金属的液体内加入固体颗粒会显著增加熔体的粘度，当颗粒含量过多达到一定程度的时候，即使通过搅拌器的搅拌也无法使复合材料保持流动状态，甚至不能进行搅拌，这就无法实现颗粒的分散，所以一般搅拌铸造制备复合材料的颗粒体积分数(fnsh)不超过 25%。此外，如何实现增强体均匀分布是搅拌铸造金属基复合材料遇到的最大问题。搅拌工艺参数和搅拌浆的形状以及增强体的含量等都会影响到增强体在基体中的分布。将增强体加入到基体流体中

12、后，就是通过搅拌方法使得增强体在流体中均匀分布。搅拌铸造过程中还存在的问题就是由于常用的增强体的密度都大于基体合金的密度，特别是当增强体尺寸较大时，增强体有可能发生沉淀25，有研究表明当颗粒尺较小时才能够忽略重力(zhngl)影响，当颗粒尺寸大于 10um 时，重力作用就体现出来，就需要进行不断的搅拌防止颗粒下沉，所以选择尺寸适宜的增强体和合适的搅拌工艺是避免搅拌铸造过程中颗粒下沉的关键。搅拌阶段结束后复合材料将进入浇铸凝固阶段。在这个浇铸凝固过程中，即使当颗粒在搅拌过程中分布均匀，却可能在凝固过程中也可能会发生移动和变化，会导致凝固后的复合材料组织中颗粒分布的不均匀。在凝固过程中，固液界面开

13、始生长并与颗粒发生相互作用，当颗粒被推挤到最后凝固的枝晶间则分布不均匀，当颗粒被生长的固液界面捕获到基体中就可以实现均匀分布26，控制合适的浇铸工艺是能否实现凝固过程中颗粒均匀分布的关键因素。总之，要想实现增强体的最后均匀分布要在搅拌阶段和浇铸凝固阶段都选择合适的工艺条件。 颗粒分布(fnb)不均匀的有个本质因素就是颗粒与基体的浸润性不好27，颗粒(kl)与基体的接触角大于90，现在(xinzi)已经有很多研究试图改进SiC颗粒与铝合金溶液的润湿性，有的研究28预先在SiC颗粒表面涂覆一层与颗粒润湿性较好的金属(Ni，Cu) ，可以把接触角减小到80 100，可以实现润湿性的提高。还有一些研究

14、29,30在作为基体的金属熔体中加入某些合金元素，可有效地降低表面张力，改善润湿性。如在铝合金中加入Mg、Cu、Ti、Zr、P 等合金元素。Schamm等22在超声震动下采用碳酸钠等有机溶剂对SiC颗粒表面进行超声处理，可以清除颗粒表面的杂质和氧化物，从而改变SiC颗粒表面的化学特性来实现SiC颗粒和基体界面状态的控制。一些研究通过对SiC颗粒表面进行预氧化处理，在高温条件下煅烧SiC颗粒使其表面生成SiO2薄膜，最后通过反应润湿来改善润湿性31,32。另外还有一些研究采用PVD， CVD以及电镀法等33,34来改善增强体与基体的润湿性。在搅拌铸造过程较高的温度情况下，由于液体与增强体的接触时

15、间较长，这可能会引起有害界面反应的发生。已经有一些研究针对SiC颗粒和铝合金之间的界面反应进行了分析，基体Al与SiC发生反应生成Al4C3和Si35。过多脆性相Al4C3的生成不仅降低了复合材料的最终性能，而且大大提高了浆体的粘度，使随后的铸造过程困难。有些研究选择添加合适的合金成分来抑制界面反应的发生，Lee等36通过在基体中添加Si元素来抑制Al4C3的生成，一些研究通过在合金中添加Mg元素来实现颗粒与基体的反应润湿，即抑制了有害界面反应的发生，同时又提高了基体和合金的润湿性，从而有利于增强体的均匀分布和界面结合。要避免有害界面反应的发生，首先要尽量不选择界面反应强烈的增强体基体组合，其

16、次要尽量控制熔体温度，从而降低反应可能性，最后就是通过如上的一些增强体处理工艺和基体合金元素的添加等手段来控制界面产物，从而实现组织的均匀化和性能的提高。搅拌铸造制备的复合材料中难免由于搅拌过程中吸入的气体，从而降低复合材料的性能，因此必须严格控制气孔量。搅拌铸造金属基复合材料中的气孔主要由吸附在增强体表面的气体和搅拌时吸入的气体组成。需要通过对增强体进行预处理和搅拌铸造工艺的优化，减少气孔的来源，从而提高复合材料的力学性能37。复合材料制备后采用一些热加工工艺也可以消除搅拌铸造过程中带来的气孔。3.数值(shz)求解步骤(bzhu)本文(bnwn)模拟采用CFD商用软件FLUENT 14.0

17、 进行模拟计算。数值模拟步骤如图 2.4所示。建立几何模型确定离散方法确定边界条件划分网格选择流体力学模型确定初始条件参数选择几何模型建立设定时间步长绘制数值结果迭代计算输出结果设定收敛残差图 2.4CFD仿真过程Figure 2.4CFD simulation process1.搅拌槽实体模型的建立本文使用三维造型软件CATIA V5来建立搅拌槽的实体模型。具体步骤如下：由于采用多重参考系模型，即在计算时，将计算域分成两大部分，一部分包含运动的搅拌桨，即转子区，另一部分，包含静止的槽体，即定子区。两个区域的计算分别采用两个参考坐标系来进行，参考系边界可以直接进行数据交换。在几何体1中建立搅拌

18、槽的模型；在几何体2中建立转子区的外轮廓模型（圆柱）；在几何体3中建立搅拌轴的模型；在几何体4中建立搅拌(jiobn)桨的模型；故而( r)我们需要(xyo)对前面四个几何体进行布尔操作。首先用用几何体1减去几何体2（保留）和几何体3（保留），就得到了定子区；接着用几何体2减去几何体3和几何体4，就得到了转子区。图 2.5定子区(a)与转子区(b)的三维造型Figure 2.5The model of non-rotation region(a) and rotation region(b)2.网格划分网格划分是数值模拟一个很重要的部分，它将所建立的三维实体模型在空间上进行连续的离散化。按照边

19、界条件的的定义把它划分成许多的子区域，并确定每个区域中的节点，即生成网格。3.结构化网格与非结构化网格FLUENT可以导入并进行计算的面网格类型有三角形和四边形网格，体网格类型有四面体网格、六面体网格及金字塔型网格。上述几种类型网格的混合型网格也可以被导入进行计算。按照生成方法，可以将网格分为三种类型，即结构化网格、非结构化网格和二者兼有的混合网格。如图 2.6所示为结构化网格划分技术、非结构化网格划分技术与混合网格划分技术对同一模型的网格划分情况，可以清晰地看到3 种方法划分后的不同网格形态38。图 2.6不同形式(xngsh)的网格(wn ) (a) 结构(jigu)化网格 (b)非结构化

20、网格 (c) 混合网格Figure 2.6Different types of mesh (a) structured mesh (b)unstructured mesh (c)mixed mesh结构化网格是较早使用的网格划分方法。对于结构化网格来说，其内部所有节点都按照一定规则进行排列，各相邻节点之间的关系非常明确。所以结构化网格可以用一个固定的法则进行命名，任意一个节点都有其对应的编号。结构化网格的优点有：网格质量好，划分速度快，数据存储结构简单，特别适用于表面应力集中等的计算。结构化网格一般通过代数生成方法和偏微分方程法来得到，更接近于实际的三维模型。非结构化网格是另一类型的计算网格，

21、它舍去了网格节点的限制，节点和单元的分布是任意的，因而能较好地处理边界。非结构化网格可以很好地控制网格的大小和节点的密度，一旦在几何表面上网格被指定，会自动在表面网格的内部添加节点，然后自动形成四面体的体网格，从而免去了复杂的实体分块。非结构化网格可以很好地解决任意连通区域的网格划分问题，而这对于结构化网格来说几乎是不可能的。当然非结构化网格的不足之处在于其划分需要耗费很大的内存，也需要更多的划分网格的时间。混合网格技术结合了结构网格与非结构化网格的优点，现今受到越来越多的重视。本文模拟过程中为了优化计算速度和时间，故采取全部的结构化网格划分。4.网格划分软件的选取CFD 模拟计算的精度，需要

22、优质的网格划分工具得以保障。GAMBIT是面向CFD（尤其是FLUENT）前处理的主流软件之一，而HyperMesh作为Altair公司的主打产品，有着高度交互性和十分广泛的CAD、CAE接口，非常适用于对复杂几何结构的分析。HyperMesh所特有的CFD流体层生成机制，使得CAD建模只需三维曲面即可，而且通过软件强大的几何清理功能，可以对部分不连续的曲面模拟划分网格，生成CFD模型39。朱帆等40通过对比研究证明了HyperMesh和GAMBIT解决CFD问题的可行性。并认为HyperMesh是复杂几何模型CFD问题的首选方案，而GAMBIT由于其支持更多种类边界条件而成为复杂边界条件下的

23、CFD问题的首选方案。由于HyperMesh强大的划分及编辑网格的功能，本文中的网格划分采用的软件是HyperMesh 12.0。5.模型(mxng)及求解(qi ji)参数的设置求解器选择分离求解器时间格式瞬态（非稳态）多相流模型离散相（DPM）模型、VOF模型湍流模型标准k-湍流模型近壁函数标准壁面函数操作条件压力标准大气压重力沿z轴负方向，g=9.81求解器设置压力速度耦合SIMPLE算法离散格式一阶迎风亚松弛因子默认值收敛精度1.00e-046.物料(w lio)属性的设定本文模拟的是在搅拌作用下SiC陶瓷颗粒在2014铝合金熔体中的分散过程。增强相SiC颗粒的物理性质见表 2.1。模

24、拟时所采用的SiC颗粒尺寸为20 m。表 2.1SiC的物理性质67Table 2.1Physical properties of SiC particle密度/(g.cm-3)弹性模量/GPa熔点/热膨胀系数/10-6K3.2519227354.7本文还模拟(mn)验证(ynzhng)了搅拌(jiobn)温度对颗粒分散的影响。搅拌温度主要是影响基体熔体的粘度以及密度。不同温度下基体熔体的粘度及密度见表 2.2。表 2.2不同温度下2014铝合金熔体的密度和粘度值Table 2.2Density and viscosity of 2014 melt at different temperatu

25、res640700750800密度(g/cm3)2.50562.48392.46672.4492粘度(mPas)1.49721.30721.17931.07427.边界条件和初始条件边界条件和初始条件是控制方程有确定解的前提，控制方程与其对应的边界条件、初始条件的组合构成了对一个物理过程完整的数学描述。边界条件和初始条件的处理，会直接影响计算结果的精度41。边界条件的设定边界条件是指在所求解区域的边界上需要求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。对于任何模拟问题，都需要给定边界条件。具体的边界条件设置如下：定义实体区域：本模拟采用MRF方法进行模拟，故设定转子区（fluid-rotate）内

26、的流体的旋转速度与搅拌桨的转速一致。而定子区（fluid-stable）则是静止的。设定边界条件：搅拌桨和上下两个搅拌轴都设定为移动壁面（Moving Wall）。其中搅拌桨和搅拌轴下部位于转子区内，转动速度选择与临近区域相同即可。搅拌桨上部位于定子区内，需要输入一个与搅拌桨相同的转速。搅拌槽底部和侧面都设为Wall，搅拌槽顶部为自由液面，因此Type选择Symmetry。另外我们假定颗粒与壁面发生碰撞时发生弹性反射。定义交界面（interface）：转子区与定子区之间有三组面是重合的，需要将其分别定义为Interface边界条件，并在Mesh Interfaces里将相应的界面组合。8.初始

27、条件的设定初始条件是指在过程开始时刻，所研究对象的各个求解变量的空间分布情况。在FLUENT的离散相计算(j sun)过程中，初始条件是用户的主要输入项。对于瞬态问题，必须给定初始条件。颗粒相的起始位置、速度等其他参数都通过(tnggu)初始条件来定义(dngy)。每个颗粒在各个时刻的状态值都由初始条件里对应的颗粒因变量的初值来决定。本文模拟中将颗粒的各个方向的喷入速度设置为零，并将颗粒喷入的起始时间与结束时间都设置为零。这也就意味着颗粒在计算的开始时刻(t=0)停留在初始位置。在模拟转速对搅拌槽内自由液面的影响时，利用打补丁(Patch)定义搅拌槽内上部分的空气的体积分数为1。9.设定收敛残

28、差及时间步长数值模拟方法求解得到的并不是流体力学方程组的解析解，而只是对解析解的近似解。残差就是用来表示它与真实解之间的区别。虽然总期望数值解尽可能地逼近解析解，但受计算量或计算本身误差的限制，残差不可能无限制地缩小。本文模拟中将各流动变量的收敛残差设置为10-4。进行数值模拟计算时，时间步长太大，易导致计算不收敛，尤其是在计算的初始阶段。时间步长过小，则导致计算量庞大，浪费计算时间。相关研究证实，当满足一定精确性和收敛性的前提时，时间步长的大小对最终混合时间的结果影响可以忽略42。另外由于可调整时间步长方法不能与离散相模型同时使用，因此只能何用固定的时间步长。时间步长的取值还与流体运动的循环

29、时间有关，在搅拌过程中，其跟转速的倒数成一定的比例关系，一般要求小于转速倒数的1/1042。本文模拟选用的最大搅拌转速为1000 rpm。根据此关系，我们采用固定的时间步长值为0.001s。4.本课题主要研究内容（1）机械搅拌工艺参数对颗粒分布均匀性及界面结合情况的影响（2）对搅拌过程中的流场及颗粒运动轨迹进行数值模拟。（3）观察不用的搅拌时间、搅拌温度、搅拌速度下，组织中颗粒的分布情况。5.课题(kt)进度2015.032016.04 研究搅拌工艺（超声工艺）对颗粒(kl)分布的影响；2016.042016.06 对搅拌过程中的流场及颗粒(kl)运动轨迹进行数值模拟；2016.062016.

30、10 考察界面结合情况，并观察组织，测试力学性能。参考文献1SAHIN Y. Preparation and some properties of SiC particle reinforced aluminium alloy compositesJ. Mater Design, 2003, 24 (8): 671-679.2HASHIM J, LOONEY L, HASHMI M. SJ. Metal matrix composites: production by the stir casting methodJ. J Mater Process Tech, 1999, 9293 (0):

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