充型流动是铸造过程的一个重要阶段,平稳的充型过程,合理的充型顺序及充型时间是获得高质量铸件的必要条件。夹渣、卷气、浇不足、冷隔等诸多缺陷在铸造充型过程中产生并影响铸件的成型质量。在实际充型过程中,模具型腔处于封闭状态,金属液在型腔中的运动规律难以观测,而运用铸造过程数值模拟进行充型计算和预测,是确保铸件的生产质量、缩短试制周期以及减少生产成本的重要手段。虽然传统的基于网格方法铸造过程数值模拟技术已发展比较成熟,但是在处理自由表面、变形边界、运动交界面以及多相流等方面仍存在困难。光滑粒子流体动力学(SPH)是一种纯拉格朗日的粒子类方法,能够通过追踪粒子的位置来捕捉自由表面及多相物质交界面的运动规律,因而在研究流体自由表面、运动物质交界面及多相流等方面非常有影响力和应用前景。目前基于SPH方法的铸造充型过程数值模拟还处于基础研究阶段,仍有很多关键性的问题有待解决,本文从以下的几个方面进行了研究。系统的阐述了SPH方法的概念及基本原理,并总结了SPH铸造充型过程的离散控制方程。研究了光滑函数的基本性质,对比了几种常见的光滑函数的求解精度及效率,最终确定五次光滑函数为SPH铸造充型过程中所使用的核函数。研究了SPH方法中几种常见的粒子搜索法,并结合铸造充型过程的特点,选取链表搜索法为SPH铸造充型过程数值模拟的求解方法。建立了Visual C++的SPH铸造充型计算程序,并通过对二维平板件的充型模拟验证了SPH铸造充型程序的正确性与有效性。通过引入表面张力模型,并离散了充型过程气液两相流控制方程,建立了SPH充型气液两相流计算程序。对单个气泡上浮过程进行计算,实验结果与模拟结果基本吻合,从而验证了已建立的SPH气液两相流模型适合处理大密度差的问题。通过对底侧注式方腔的充型过程进行计算,模拟结果与实验结果基本一致,验证了SPH充型过程气液两相流模型的正确性,从而为预测气孔、卷气等铸造缺陷奠定基础。为了研究渣团对铸造充型过程的影响,本文引入了刚体的运动模型,建立了SPH铸造充型过程固液两相流计算程序。通过对平板件的充型过程进行计算,模拟结果中渣团粒子的位置与实验结果中夹渣的位置基本一致,从而验证了SPH方法铸造充型过程固液两相流程序的正确性与有效性。研究和推导SPH铸造充型过程气液固三相流离散控制方程,建立了SPH铸造充型过程气液固三相流计算程序。通过对平板件的三相流充型过程进行计算,并与Win-Cast单相流结果进行对比,金属液的流动趋势基本一致,从而验证了SPH铸造充型过程气液固三相流程序的正确性与有效性。
