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西北工业大学
硕士学位论文
基于ANSYS的强脉冲磁场及温度场有限元分析
姓名:牛晓武
申请学位级别:硕士
专业:机械制造及其自动化
指导教师:赵志龙
西北T业人学珂!I。学位论文第一章绪论
合金性能进一步提高。
国内外熔模铸造技术的发展使铸造时片不断进步,从最初的实心叶片到空心叶片,从有加工余量叶片到无余量叶片,再到定向(单晶空一tl,无余量叶片,叶片的外形和内腔也越来越复杂。空一tL,气冷叶片的出现既减轻了叶片重量,又提高了叶片的承温能力。我国第一个铸造空心涡轮叶片是1966年研制的WP7发动机级涡轮工作叶片。制造空心叶片包括制芯、制模、制壳和浇注各工序。20世纪70年代,北京航空材料研究院结合某型号发动机叶片的研制,研究了氧化硅基异型陶瓷型芯,并投入等轴晶空心叶片生产中应用。
目前,我国航空部门在生产各类铸造涡轮I】t片方面已有较成熟的经验。发动机公司、西安航空发动机公司、南方动力公司、贵州黎阳发动机公司、哈尔滨东安发动机公司等单位均有生产这类叶片的实力。
繁£,{l}噔,=:舵蜷幔豫嘏奄掣计酶蚱图l一3某发动机高压涡轮叶片的型芯、蜡模、壳型和铸件
图1.3所示为北京航空材料研究院生产的某发动机定向空心无余量涡轮叶片的型芯、蜡模、壳型和铸件。
20世纪60年代中期,美国PW公司的F.L.Varsnyder及其同事们发明了高温合金定向凝固技术,使合盒的晶粒沿热流流失方向定向排列,基本消除垂直于应力轴的薄弱的横向晶界,这使铸造合金的力学性能又上一个新台阶。之后,又发展出单晶技术,并很快用于叶片生产。定向凝固技术的发展使铸造高温合金承温能力大幅度提高,从承温能力最高的等轴晶合金到最高的第三代单晶台余,其承温能力约提高150℃。这为提高发动机工作温度提供了重要条件。
总之,航空铸造涡轮叶片合金和工艺的发展已取得长足的进步,为航空发动机的发展做出了巨大贡献。然而,飞跃发展的高科技时代,继续对冶金工作者提
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两北T业大学埘!l:学位论文第一章强脉冲磁场分布特千i『:有限儿数值模拟致。对于磁场较弱的远场空气区域网格密度可以划分得稀疏些。
2.5ANSYS模拟结果与讨论
所用的主要模拟参数有:空气的磁导率1:合金熔体的相对磁导率为2;螺线管线躅的参数为:绕线长度为150mm,匝数为380匝,内径为39ram,外径为56mm。铁芯长度为300nma。
图2.3为用ANSYS有限元软件对合金熔体内部磁场分布的数值模拟结果,它给出了在3个不同峰值脉冲磁场的瞬间,合金熔体内部的磁场分布图。从图中可以看出脉冲磁场的磁力线主要集中在铁芯、圆柱形合金试样的中间部分(铁芯宽度范围以内,而螺线管线圈宽度范围以外的磁力线较为稀疏,磁感应强度也较低。当输入电压峰值为622V时,试样中心处磁感应强度最强达到约1.49T,而在试样端部最弱约为O.187T。
(1Um=255V时磁力线分布(2Um=255V时磁场分布
(3Um=396V时磁力线分布(4Um=396V时磁场分布
西北工业人学颂,}:学位论文第二幸强脉冲磁场分布特征有限冗数值模拟
(5Um=622矿时磁力线分布(6Um=622矿时磁场分布
图2-3不同输入峰值电压下,含金熔体中的磁力线和磁场分布
随着输入脉冲电压的增大,通过螺线管线圈的脉冲电流峰值也逐渐增加,在合金熔体内部所产生的脉冲磁感应强度也随之增加,但是磁力线和磁场的分布状态并未发生改变。这对进一步研究脉冲磁场对铸件不同部分凝固组织的影响具有重要的意义。
2.6实验结果分析
为验证ANSYS模拟结果的合理性,采用双通道电压测量仪对脉冲磁场强度进行了实验测量。它能够测量微小电压常被用来作为测量磁场分布的中间工具。具体来说,它是通过测量小螺线管在待测磁场中所产生的感应电动势来间接测量磁场分布的一种仪器。
在三种不同的输入峰值电压下,分别测得合金熔体试样长度方向上11个点的磁感应强度,并与通过ANSYS数值模拟得到值进行了比较,如图2—4所示。
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(2Um=396V
西北T业大学烦士学位论义第三章AI.4%Cu铸件凝【司过程温度场模拟
表3.1Al一4%Cu合金的热物性参数值
热物性参数单位数值
潜热L
d/kg3.8326105
密度p堙/∥2450
液相导热系数吒W{m.oC77
尉相导热系数b∥/m.℃153
液相溶质扩散系数现m2s—l5.0.105
平衡溶质分配系数吒O.173
液相线斜率m.3.3
比热
CP L,/kg-℃1179
I
I平衡液相线温度瓦Jf
kg?oC
650
I平衡同相线
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