攪拌模擬開(kāi)題報(bào)告(共17頁(yè))

1、吉林大學(xué)(j ln d xu)2013級(jí)碩士(shush)畢業(yè)論文開(kāi)題(ki t)報(bào)告論文題目：機(jī)械攪拌制備SiCp顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的數(shù)值模擬姓 名： 閆禹伯 專 業(yè)：材料加工工程學(xué) 號(hào)： 2013432109 指導(dǎo)教師: 王金國(guó)(教授)吉林大學(xué)2015 年 3 月 12 日吉林大學(xué)碩士畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告 PAGE 201 選題(xun t)意義金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度和較好的耐腐蝕性能，其在工業(yè)(gngy)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。金屬基復(fù)合材料同時(shí)具有很好的可設(shè)計(jì)性，通過(guò)改變?cè)鰪?qiáng)體的類(lèi)型、表面狀態(tài)、體積分?jǐn)?shù)(fnsh)以及基體材料，使復(fù)合材料達(dá)到相關(guān)的要求。制約金屬基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的一個(gè)

2、重要因素就是其高昂的制備成本。制備金屬基復(fù)合材料的目標(biāo)就是充分結(jié)合金屬與陶瓷二者的優(yōu)良的性能，通過(guò)添加高強(qiáng)度、高彈性模量的顆粒到韌性的金屬基體中以獲得一個(gè)力學(xué)性能介于增強(qiáng)體與基體之間的復(fù)合材料。金屬具有很多優(yōu)良的性能，如高強(qiáng)度，良好的延展性，但其剛度較低，而陶瓷雖很脆，但其具有高的比強(qiáng)度和剛度。例如，SiC顆粒的強(qiáng)度為600MPa，楊氏模量為350 500GPa，鑄態(tài)的2014鋁合金強(qiáng)度僅為200MPa，楊氏模量為72.4GPa，而由二者復(fù)合而成的10 vol.% SiC/2014復(fù)合材料的強(qiáng)度能達(dá)到569.7MPa，楊氏模量也能達(dá)到120.9GPa1-3，經(jīng)過(guò)復(fù)合后，材料的力學(xué)性能有了顯著的

3、提高。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要制備工藝有粉末冶金、擠壓鑄造、攪拌鑄造、高能球磨法和高能超聲復(fù)合法等工藝4, 5。根據(jù)制備方法的不同，所制備出的復(fù)合材料中顆粒的分散性及顆粒與基體之間的界面情況也不一樣。每種制備工藝都想要盡可能地獲得顆粒分布均勻且與基體結(jié)合良好的復(fù)合材料5。這些制備工藝各有所長(zhǎng)，也各有所短。實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要來(lái)選擇更合適的制備工藝。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有界面反應(yīng)的存在，可以用來(lái)制備高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料。同時(shí)，基體可以選用任何合金，增強(qiáng)體也可以使用幾乎所有種類(lèi)的增強(qiáng)相。其存在的問(wèn)題就是成本高，一般需要二次成型，且工藝程序復(fù)雜6。擠壓鑄造法（也稱浸滲法）可制備出形狀與最終制

4、品相似甚至相同的產(chǎn)品。由于其冷卻速度快，故可降低及至消除界面反應(yīng)，且增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)可在較大范圍內(nèi)變動(dòng)。其缺點(diǎn)是不易制備形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且對(duì)增強(qiáng)體顆粒損害較為嚴(yán)重7。高能超聲復(fù)合法利用聲流效應(yīng)及空化效應(yīng)打散成團(tuán)的顆粒，進(jìn)而促進(jìn)顆粒在金屬熔體內(nèi)的均勻分布。高能超聲兼具有除氣、除渣的作用。但超聲工具頭的工作溫度范圍一般在600750之間，因而一般只適用于熔點(diǎn)相對(duì)較低的鋁（鎂）基金屬?gòu)?fù)合材料的制備。另外超聲工具頭易被金屬熔體腐蝕，給所制備復(fù)合材料添加了雜質(zhì)成分8。噴射沉積法能有效地控制基體與增強(qiáng)體的界面反應(yīng)，材料夾雜物含量少，是一種值得大為推廣的制備復(fù)合材料的方法，但其工藝還有待于完善，且不能制備高

5、體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料9。高能球磨法將增強(qiáng)顆粒均勻分散到基體合金粉末中，能使合金粉末成分更加均勻且獲得較為細(xì)小的晶粒組織。其具有工藝簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)10, 11。機(jī)械(jxi)攪拌制備(zhbi)顆粒(kl)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料由于其簡(jiǎn)便、靈活，而被廣泛應(yīng)用。它是所有制備顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中最經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方法，且能用于制備大體積大尺寸的鑄件12。Skibo等13曾報(bào)道過(guò)，采用鑄造方法制備復(fù)合材料的成本是其它具有競(jìng)爭(zhēng)力方法的33%50%左右。對(duì)于高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，這一比例下降到約十分之一。加拿大和美國(guó)在機(jī)械攪拌制備金屬基復(fù)合材料方面的研究比較成熟，并在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域得到了相應(yīng)的

6、應(yīng)用。Cercast公司生產(chǎn)的SiCp/A357復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用于飛機(jī)攝像鏡方向架上；俄羅斯航空航天總部成功地將SiCp/Al復(fù)合材料應(yīng)用在飛機(jī)起落架、翼前緣加強(qiáng)筋上。在汽車(chē)方面，Alcan公司于1995年生產(chǎn)的SiCp/Al復(fù)合材料汽車(chē)剎車(chē)片，在豐田汽車(chē)中得以使用。雖然我國(guó)早在九十年代就已經(jīng)開(kāi)始了這方面的研究，并取得了一定的成果，但是所制備出的材料的物理性能與其它國(guó)家相比還有較大的差距，還難以進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用和生產(chǎn)。要推廣其應(yīng)用，關(guān)于復(fù)合材料的制備及成型工藝還需要做大量的研究14。機(jī)械攪拌制備SiCp/Al存在的主要問(wèn)題有， SiC顆粒的團(tuán)聚、重力沉降，界面反應(yīng)較嚴(yán)重，制備出的復(fù)合材料氣孔率

7、較高等問(wèn)題。這其中，SiC顆粒在復(fù)合材料中分布的均勻性有著至關(guān)重要的影響。顆粒的分散主要是通過(guò)攪拌槽內(nèi)的攪拌來(lái)實(shí)現(xiàn)的，合適的攪拌槳及攪拌工藝直接影響著顆粒的均勻性。雖然攪拌混合技術(shù)是一個(gè)非常古老常見(jiàn)的操作，但由于攪拌槽內(nèi)流動(dòng)情況的復(fù)雜性，機(jī)械攪拌過(guò)程中攪拌槳的設(shè)計(jì)還主要憑借經(jīng)驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性的研究。而計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)的誕生極大地促進(jìn)了攪拌過(guò)程中的研究。它可以模擬不同攪拌槳形式，不同浸入深度，不同安裝方式等等條件下，攪拌槽內(nèi)流場(chǎng)的分布及其對(duì)顆粒分散的影響。而且這些影響的結(jié)果都是可視化的，可以很好地指導(dǎo)攪拌槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定合適的攪拌工藝。2.研究(ynji)現(xiàn)狀攪拌鑄造法制備金屬基復(fù)合材料已經(jīng)(y

8、 jing)有了四十余年的歷史，由于其具有設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多的關(guān)注，攪拌鑄造法是將增強(qiáng)體加入到液態(tài)或半固態(tài)的合金中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌槳攪動(dòng)合金液產(chǎn)生的漩渦將加入的增強(qiáng)體不斷卷入，從而達(dá)到均勻混合和相互浸潤(rùn)的目的，使顆粒均勻分布在熔體中，然后澆鑄成鑄件、錠坯等。攪拌鑄造法的制備成本非常低廉，僅為其他成本的三分之一至十分之一左右15，是最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)顆粒(kl)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法。攪拌鑄造根據(jù)攪拌過(guò)程中金屬的存在形態(tài)可以分為液態(tài)攪拌，半固態(tài)攪拌和復(fù)合攪拌三種工藝形式。攪拌溫度在合金液的液相線以上，攪拌結(jié)束后澆注的攪拌工藝為液態(tài)攪拌工藝;當(dāng)熔化的

9、合金冷卻到半固態(tài)區(qū)間時(shí)才開(kāi)始加入增強(qiáng)體進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)體攪拌均勻后直接進(jìn)行澆注的攪拌工藝稱為半固態(tài)攪拌工藝;在合金液的半固態(tài)區(qū)間將增強(qiáng)體攪拌均勻后，繼續(xù)升溫?cái)嚢璧揭合嗑€以上進(jìn)行才進(jìn)行澆注的攪拌工藝成為復(fù)合攪拌工藝。研究表明在復(fù)合材料中采用復(fù)合攪拌鑄造工藝能夠改善增強(qiáng)體分布和降低材料內(nèi)部氣孔含量16。國(guó)內(nèi)很多大學(xué)和科研單位的研究者都在不斷對(duì)攪拌鑄造工藝流程、工藝參數(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)和優(yōu)化，來(lái)解決攪拌鑄造法制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中存在的問(wèn)題17，18。曾國(guó)勛等19采用液相線以上溫度的攪拌工藝制備了SiCp/Al 復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn) SiC 和基體界面結(jié)合是良好的冶金結(jié)合。齊海波等20在非真空條件下通

10、過(guò)對(duì)半固態(tài)攪拌熔煉-液態(tài)模鍛工藝參數(shù)的優(yōu)化，制備出的SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料中顆粒分布均勻，基本消除了氣孔、縮松等鑄造缺陷，其拉伸屈服強(qiáng)度比基體鋁合金提高了 17%，但延伸率明顯降低，耐磨性有一定程度的增加。袁廣江21等采用真空攪拌鑄造法制備了體積分?jǐn)?shù)為 20vol.%的SiC 顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，結(jié)果表明 SiC 顆粒在基體中分布均勻，復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度和彈性模量與基體合金相比都顯著增加，延伸率降低。耿林等22采用半固態(tài)攪拌法制備(15%SiCp+5%ABOw)/6061Al 復(fù)合材料，并對(duì)晶須涂覆工藝對(duì)組織和性能的影響進(jìn)行了分析。 雖然攪拌鑄造法是制備金屬基復(fù)合材料最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法

11、，整個(gè)(zhngg)工藝可以是連續(xù)的或半連續(xù)的，但是攪拌鑄造中的一些困難也很突出，主要有顆粒的含量控制、顆粒分散均勻性、界面的化學(xué)反應(yīng)和氣孔等幾方面的困難有待于研究解決23,24。 首先，向金屬的液體內(nèi)加入固體顆粒會(huì)顯著增加熔體的粘度，當(dāng)顆粒含量過(guò)多達(dá)到一定程度的時(shí)候，即使通過(guò)攪拌器的攪拌也無(wú)法使復(fù)合材料保持流動(dòng)狀態(tài)，甚至不能進(jìn)行攪拌，這就無(wú)法實(shí)現(xiàn)顆粒的分散，所以一般攪拌鑄造制備復(fù)合材料的顆粒體積分?jǐn)?shù)(fnsh)不超過(guò) 25%。此外，如何實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)體均勻分布是攪拌鑄造金屬基復(fù)合材料遇到的最大問(wèn)題。攪拌工藝參數(shù)和攪拌漿的形狀以及增強(qiáng)體的含量等都會(huì)影響到增強(qiáng)體在基體中的分布。將增強(qiáng)體加入到基體流體中

12、后，就是通過(guò)攪拌方法使得增強(qiáng)體在流體中均勻分布。攪拌鑄造過(guò)程中還存在的問(wèn)題就是由于常用的增強(qiáng)體的密度都大于基體合金的密度，特別是當(dāng)增強(qiáng)體尺寸較大時(shí)，增強(qiáng)體有可能發(fā)生沉淀25，有研究表明當(dāng)顆粒尺較小時(shí)才能夠忽略重力(zhngl)影響，當(dāng)顆粒尺寸大于 10um 時(shí)，重力作用就體現(xiàn)出來(lái)，就需要進(jìn)行不斷的攪拌防止顆粒下沉，所以選擇尺寸適宜的增強(qiáng)體和合適的攪拌工藝是避免攪拌鑄造過(guò)程中顆粒下沉的關(guān)鍵。攪拌階段結(jié)束后復(fù)合材料將進(jìn)入澆鑄凝固階段。在這個(gè)澆鑄凝固過(guò)程中，即使當(dāng)顆粒在攪拌過(guò)程中分布均勻，卻可能在凝固過(guò)程中也可能會(huì)發(fā)生移動(dòng)和變化，會(huì)導(dǎo)致凝固后的復(fù)合材料組織中顆粒分布的不均勻。在凝固過(guò)程中，固液界面開(kāi)

13、始生長(zhǎng)并與顆粒發(fā)生相互作用，當(dāng)顆粒被推擠到最后凝固的枝晶間則分布不均勻，當(dāng)顆粒被生長(zhǎng)的固液界面捕獲到基體中就可以實(shí)現(xiàn)均勻分布26，控制合適的澆鑄工藝是能否實(shí)現(xiàn)凝固過(guò)程中顆粒均勻分布的關(guān)鍵因素?？傊雽?shí)現(xiàn)增強(qiáng)體的最后均勻分布要在攪拌階段和澆鑄凝固階段都選擇合適的工藝條件。 顆粒分布(fnb)不均勻的有個(gè)本質(zhì)因素就是顆粒與基體的浸潤(rùn)性不好27，顆粒(kl)與基體的接觸角大于90，現(xiàn)在(xinzi)已經(jīng)有很多研究試圖改進(jìn)SiC顆粒與鋁合金溶液的潤(rùn)濕性，有的研究28預(yù)先在SiC顆粒表面涂覆一層與顆粒潤(rùn)濕性較好的金屬(Ni，Cu) ，可以把接觸角減小到80 100，可以實(shí)現(xiàn)潤(rùn)濕性的提高。還有一些研究

14、29,30在作為基體的金屬熔體中加入某些合金元素，可有效地降低表面張力，改善潤(rùn)濕性。如在鋁合金中加入Mg、Cu、Ti、Zr、P 等合金元素。Schamm等22在超聲震動(dòng)下采用碳酸鈉等有機(jī)溶劑對(duì)SiC顆粒表面進(jìn)行超聲處理，可以清除顆粒表面的雜質(zhì)和氧化物，從而改變SiC顆粒表面的化學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)SiC顆粒和基體界面狀態(tài)的控制。一些研究通過(guò)對(duì)SiC顆粒表面進(jìn)行預(yù)氧化處理，在高溫條件下煅燒SiC顆粒使其表面生成SiO2薄膜，最后通過(guò)反應(yīng)潤(rùn)濕來(lái)改善潤(rùn)濕性31,32。另外還有一些研究采用PVD， CVD以及電鍍法等33,34來(lái)改善增強(qiáng)體與基體的潤(rùn)濕性。在攪拌鑄造過(guò)程較高的溫度情況下，由于液體與增強(qiáng)體的接觸時(shí)

15、間較長(zhǎng)，這可能會(huì)引起有害界面反應(yīng)的發(fā)生。已經(jīng)有一些研究針對(duì)SiC顆粒和鋁合金之間的界面反應(yīng)進(jìn)行了分析，基體Al與SiC發(fā)生反應(yīng)生成Al4C3和Si35。過(guò)多脆性相Al4C3的生成不僅降低了復(fù)合材料的最終性能，而且大大提高了漿體的粘度，使隨后的鑄造過(guò)程困難。有些研究選擇添加合適的合金成分來(lái)抑制界面反應(yīng)的發(fā)生，Lee等36通過(guò)在基體中添加Si元素來(lái)抑制Al4C3的生成，一些研究通過(guò)在合金中添加Mg元素來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒與基體的反應(yīng)潤(rùn)濕，即抑制了有害界面反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)又提高了基體和合金的潤(rùn)濕性，從而有利于增強(qiáng)體的均勻分布和界面結(jié)合。要避免有害界面反應(yīng)的發(fā)生，首先要盡量不選擇界面反應(yīng)強(qiáng)烈的增強(qiáng)體基體組合，其

16、次要盡量控制熔體溫度，從而降低反應(yīng)可能性，最后就是通過(guò)如上的一些增強(qiáng)體處理工藝和基體合金元素的添加等手段來(lái)控制界面產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)組織的均勻化和性能的提高。攪拌鑄造制備的復(fù)合材料中難免由于攪拌過(guò)程中吸入的氣體，從而降低復(fù)合材料的性能，因此必須嚴(yán)格控制氣孔量。攪拌鑄造金屬基復(fù)合材料中的氣孔主要由吸附在增強(qiáng)體表面的氣體和攪拌時(shí)吸入的氣體組成。需要通過(guò)對(duì)增強(qiáng)體進(jìn)行預(yù)處理和攪拌鑄造工藝的優(yōu)化，減少氣孔的來(lái)源，從而提高復(fù)合材料的力學(xué)性能37。復(fù)合材料制備后采用一些熱加工工藝也可以消除攪拌鑄造過(guò)程中帶來(lái)的氣孔。3.數(shù)值(shz)求解步驟(bzhu)本文(bnwn)模擬采用CFD商用軟件FLUENT 14.0

17、 進(jìn)行模擬計(jì)算。數(shù)值模擬步驟如圖 2.4所示。建立幾何模型確定離散方法確定邊界條件劃分網(wǎng)格選擇流體力學(xué)模型確定初始條件參數(shù)選擇幾何模型建立設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)繪制數(shù)值結(jié)果迭代計(jì)算輸出結(jié)果設(shè)定收斂殘差圖 2.4CFD仿真過(guò)程Figure 2.4CFD simulation process1.攪拌槽實(shí)體模型的建立本文使用三維造型軟件CATIA V5來(lái)建立攪拌槽的實(shí)體模型。具體步驟如下：由于采用多重參考系模型，即在計(jì)算時(shí)，將計(jì)算域分成兩大部分，一部分包含運(yùn)動(dòng)的攪拌槳，即轉(zhuǎn)子區(qū)，另一部分，包含靜止的槽體，即定子區(qū)。兩個(gè)區(qū)域的計(jì)算分別采用兩個(gè)參考坐標(biāo)系來(lái)進(jìn)行，參考系邊界可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在幾何體1中建立攪拌

18、槽的模型；在幾何體2中建立轉(zhuǎn)子區(qū)的外輪廓模型（圓柱）；在幾何體3中建立攪拌軸的模型；在幾何體4中建立攪拌(jiobn)槳的模型；故而( r)我們需要(xyo)對(duì)前面四個(gè)幾何體進(jìn)行布爾操作。首先用用幾何體1減去幾何體2（保留）和幾何體3（保留），就得到了定子區(qū)；接著用幾何體2減去幾何體3和幾何體4，就得到了轉(zhuǎn)子區(qū)。圖 2.5定子區(qū)(a)與轉(zhuǎn)子區(qū)(b)的三維造型Figure 2.5The model of non-rotation region(a) and rotation region(b)2.網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬一個(gè)很重要的部分，它將所建立的三維實(shí)體模型在空間上進(jìn)行連續(xù)的離散化。按照邊

19、界條件的的定義把它劃分成許多的子區(qū)域，并確定每個(gè)區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，即生成網(wǎng)格。3.結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格FLUENT可以導(dǎo)入并進(jìn)行計(jì)算的面網(wǎng)格類(lèi)型有三角形和四邊形網(wǎng)格，體網(wǎng)格類(lèi)型有四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格及金字塔型網(wǎng)格。上述幾種類(lèi)型網(wǎng)格的混合型網(wǎng)格也可以被導(dǎo)入進(jìn)行計(jì)算。按照生成方法，可以將網(wǎng)格分為三種類(lèi)型，即結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和二者兼有的混合網(wǎng)格。如圖 2.6所示為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)與混合網(wǎng)格劃分技術(shù)對(duì)同一模型的網(wǎng)格劃分情況，可以清晰地看到3 種方法劃分后的不同網(wǎng)格形態(tài)38。圖 2.6不同形式(xngsh)的網(wǎng)格(wn ) (a) 結(jié)構(gòu)(jigu)化網(wǎng)格 (b)非結(jié)構(gòu)化

20、網(wǎng)格 (c) 混合網(wǎng)格Figure 2.6Different types of mesh (a) structured mesh (b)unstructured mesh (c)mixed mesh結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是較早使用的網(wǎng)格劃分方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，其內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)都按照一定規(guī)則進(jìn)行排列，各相鄰節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系非常明確。所以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以用一個(gè)固定的法則進(jìn)行命名，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其對(duì)應(yīng)的編號(hào)。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)有：網(wǎng)格質(zhì)量好，劃分速度快，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適用于表面應(yīng)力集中等的計(jì)算。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格一般通過(guò)代數(shù)生成方法和偏微分方程法來(lái)得到，更接近于實(shí)際的三維模型。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是另一類(lèi)型的計(jì)算網(wǎng)格，

21、它舍去了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的限制，節(jié)點(diǎn)和單元的分布是任意的，因而能較好地處理邊界。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很好地控制網(wǎng)格的大小和節(jié)點(diǎn)的密度，一旦在幾何表面上網(wǎng)格被指定，會(huì)自動(dòng)在表面網(wǎng)格的內(nèi)部添加節(jié)點(diǎn)，然后自動(dòng)形成四面體的體網(wǎng)格，從而免去了復(fù)雜的實(shí)體分塊。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很好地解決任意連通區(qū)域的網(wǎng)格劃分問(wèn)題，而這對(duì)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的。當(dāng)然非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的不足之處在于其劃分需要耗費(fèi)很大的內(nèi)存，也需要更多的劃分網(wǎng)格的時(shí)間?；旌暇W(wǎng)格技術(shù)結(jié)合了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)今受到越來(lái)越多的重視。本文模擬過(guò)程中為了優(yōu)化計(jì)算速度和時(shí)間，故采取全部的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。4.網(wǎng)格劃分軟件的選取CFD 模擬計(jì)算的精度，需要

22、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)格劃分工具得以保障。GAMBIT是面向CFD（尤其是FLUENT）前處理的主流軟件之一，而HyperMesh作為Altair公司的主打產(chǎn)品，有著高度交互性和十分廣泛的CAD、CAE接口，非常適用于對(duì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的分析。HyperMesh所特有的CFD流體層生成機(jī)制，使得CAD建模只需三維曲面即可，而且通過(guò)軟件強(qiáng)大的幾何清理功能，可以對(duì)部分不連續(xù)的曲面模擬劃分網(wǎng)格，生成CFD模型39。朱帆等40通過(guò)對(duì)比研究證明了HyperMesh和GAMBIT解決CFD問(wèn)題的可行性。并認(rèn)為HyperMesh是復(fù)雜幾何模型CFD問(wèn)題的首選方案，而GAMBIT由于其支持更多種類(lèi)邊界條件而成為復(fù)雜邊界條件下的

23、CFD問(wèn)題的首選方案。由于HyperMesh強(qiáng)大的劃分及編輯網(wǎng)格的功能，本文中的網(wǎng)格劃分采用的軟件是HyperMesh 12.0。5.模型(mxng)及求解(qi ji)參數(shù)的設(shè)置求解器選擇分離求解器時(shí)間格式瞬態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）多相流模型離散相（DPM）模型、VOF模型湍流模型標(biāo)準(zhǔn)k-湍流模型近壁函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)操作條件壓力標(biāo)準(zhǔn)大氣壓重力沿z軸負(fù)方向，g=9.81求解器設(shè)置壓力速度耦合SIMPLE算法離散格式一階迎風(fēng)亞松弛因子默認(rèn)值收斂精度1.00e-046.物料(w lio)屬性的設(shè)定本文模擬的是在攪拌作用下SiC陶瓷顆粒在2014鋁合金熔體中的分散過(guò)程。增強(qiáng)相SiC顆粒的物理性質(zhì)見(jiàn)表 2.1。模

24、擬時(shí)所采用的SiC顆粒尺寸為20 m。表 2.1SiC的物理性質(zhì)67Table 2.1Physical properties of SiC particle密度/(g.cm-3)彈性模量/GPa熔點(diǎn)/熱膨脹系數(shù)/10-6K3.2519227354.7本文還模擬(mn)驗(yàn)證(ynzhng)了攪拌(jiobn)溫度對(duì)顆粒分散的影響。攪拌溫度主要是影響基體熔體的粘度以及密度。不同溫度下基體熔體的粘度及密度見(jiàn)表 2.2。表 2.2不同溫度下2014鋁合金熔體的密度和粘度值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.邊界條件和初始條件邊界條件和初始條件是控制方程有確定解的前提，控制方程與其對(duì)應(yīng)的邊界條件、初始條件的組合構(gòu)成了對(duì)一個(gè)物理過(guò)程完整的數(shù)學(xué)描述。邊界條件和初始條件的處理，會(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的精度41。邊界條件的設(shè)定邊界條件是指在所求解區(qū)域的邊界上需要求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律。對(duì)于任何模擬問(wèn)題，都需要給定邊界條件。具體的邊界條件設(shè)置如下：定義實(shí)體區(qū)域：本模擬采用MRF方法進(jìn)行模擬，故設(shè)定轉(zhuǎn)子區(qū)（fluid-rotate）內(nèi)

26、的流體的旋轉(zhuǎn)速度與攪拌槳的轉(zhuǎn)速一致。而定子區(qū)（fluid-stable）則是靜止的。設(shè)定邊界條件：攪拌槳和上下兩個(gè)攪拌軸都設(shè)定為移動(dòng)壁面（Moving Wall）。其中攪拌槳和攪拌軸下部位于轉(zhuǎn)子區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度選擇與臨近區(qū)域相同即可。攪拌槳上部位于定子區(qū)內(nèi)，需要輸入一個(gè)與攪拌槳相同的轉(zhuǎn)速。攪拌槽底部和側(cè)面都設(shè)為Wall，攪拌槽頂部為自由液面，因此Type選擇Symmetry。另外我們假定顆粒與壁面發(fā)生碰撞時(shí)發(fā)生彈性反射。定義交界面（interface）：轉(zhuǎn)子區(qū)與定子區(qū)之間有三組面是重合的，需要將其分別定義為Interface邊界條件，并在Mesh Interfaces里將相應(yīng)的界面組合。8.初始

27、條件的設(shè)定初始條件是指在過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻，所研究對(duì)象的各個(gè)求解變量的空間分布情況。在FLUENT的離散相計(jì)算(j sun)過(guò)程中，初始條件是用戶的主要輸入項(xiàng)。對(duì)于瞬態(tài)問(wèn)題，必須給定初始條件。顆粒相的起始位置、速度等其他參數(shù)都通過(guò)(tnggu)初始條件來(lái)定義(dngy)。每個(gè)顆粒在各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)值都由初始條件里對(duì)應(yīng)的顆粒因變量的初值來(lái)決定。本文模擬中將顆粒的各個(gè)方向的噴入速度設(shè)置為零，并將顆粒噴入的起始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間都設(shè)置為零。這也就意味著顆粒在計(jì)算的開(kāi)始時(shí)刻(t=0)停留在初始位置。在模擬轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌槽內(nèi)自由液面的影響時(shí)，利用打補(bǔ)丁(Patch)定義攪拌槽內(nèi)上部分的空氣的體積分?jǐn)?shù)為1。9.設(shè)定收斂殘

28、差及時(shí)間步長(zhǎng)數(shù)值模擬方法求解得到的并不是流體力學(xué)方程組的解析解，而只是對(duì)解析解的近似解。殘差就是用來(lái)表示它與真實(shí)解之間的區(qū)別。雖然總期望數(shù)值解盡可能地逼近解析解，但受計(jì)算量或計(jì)算本身誤差的限制，殘差不可能無(wú)限制地縮小。本文模擬中將各流動(dòng)變量的收斂殘差設(shè)置為10-4。進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)太大，易導(dǎo)致計(jì)算不收斂，尤其是在計(jì)算的初始階段。時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，則導(dǎo)致計(jì)算量龐大，浪費(fèi)計(jì)算時(shí)間。相關(guān)研究證實(shí)，當(dāng)滿足一定精確性和收斂性的前提時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)的大小對(duì)最終混合時(shí)間的結(jié)果影響可以忽略42。另外由于可調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)方法不能與離散相模型同時(shí)使用，因此只能何用固定的時(shí)間步長(zhǎng)。時(shí)間步長(zhǎng)的取值還與流體運(yùn)動(dòng)的循環(huán)

29、時(shí)間有關(guān)，在攪拌過(guò)程中，其跟轉(zhuǎn)速的倒數(shù)成一定的比例關(guān)系，一般要求小于轉(zhuǎn)速倒數(shù)的1/1042。本文模擬選用的最大攪拌轉(zhuǎn)速為1000 rpm。根據(jù)此關(guān)系，我們采用固定的時(shí)間步長(zhǎng)值為0.001s。4.本課題主要研究?jī)?nèi)容（1）機(jī)械攪拌工藝參數(shù)對(duì)顆粒分布均勻性及界面結(jié)合情況的影響（2）對(duì)攪拌過(guò)程中的流場(chǎng)及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬。（3）觀察不用的攪拌時(shí)間、攪拌溫度、攪拌速度下，組織中顆粒的分布情況。5.課題(kt)進(jìn)度2015.032016.04 研究攪拌工藝（超聲工藝）對(duì)顆粒(kl)分布的影響；2016.042016.06 對(duì)攪拌過(guò)程中的流場(chǎng)及顆粒(kl)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬；2016.062016.

30、10 考察界面結(jié)合情況，并觀察組織，測(cè)試力學(xué)性能。參考文獻(xiàn)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):

31、 1-7.3王斌，易丹青，李洪武，等. 半固態(tài)擠壓亞微米SiCp/2014復(fù)合材料的組織性能研究J. 熱加工工藝， 2005，(07): 26-28.4劉建華，沈勝利. 顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備工藝的綜述J. 熱加工工藝，2011，(10)：106-108.5毛成. 攪拌鑄造SiCp/2024復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能研究D. 湖南大學(xué)，2010.6劉彥強(qiáng)，魏少華，左濤，等. 粉末冶金70%Si/Al復(fù)合材料的制備與組織形成機(jī)制J. 稀有金屬，2012，(06)：876-883.7于曉東，王揚(yáng)衛(wèi)，王富恥，等. 擠壓鑄造制備高體積含量SiCp/2024Al復(fù)合材料J. 材料工程，2008，(1

32、1): 59-62.8DONTHAMSETTY S. Investigation on mechanical properties of a356 nanocomposites fabricated by ultrasonic assisted cavitationJ. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 41 (2): 121-129.9張晨晨，袁武華. 熱處理工藝對(duì)噴射沉積7090/SiCp復(fù)合材料(f h ci lio)斷裂韌性的影響J. 材料導(dǎo)報(bào)，2013，(14): 31-34.10肖伯律，左濤，張維玉，等. 高能(gonng)球磨制備1

33、5%SiC/2009Al復(fù)合材料的微觀組織與斷裂行為J. 稀有金屬，2005，(01): 1-5.11高麗敏，王振玲，董勝敏. 球磨參數(shù)對(duì)機(jī)械合金化制備(zhbi)碳化硅粉體的影響J. 表面技術(shù)，2010，(02): 50-51+76.12VENKATAGALAPATHY V, PRABU SB, SOZHAMANNAN G. Effect of processing paramters on metal matrix composites: stir casting processJ. Advances in Molecular Imaging, 2012, 2.13SKIBO MD, SC

34、HUSTER DM. Process for preparation of composite materials containing nonmetallic particles in a metallic matrix, and composite materials made by: US, No. 4 786 467P, 1988.14王樂(lè)軍. 液態(tài)機(jī)械攪拌鑄造法制備SiCp/6061Al復(fù)合材料D. 鄭州大學(xué)，2009.15Surappa， M. Microstructure evolution during solidification of DRMMCs (Discontinuo

35、usly Reinforced Metal Matrix Composites): state of artJ. J Mater Process Tech， 1997， 63 (1): 325-333.16Laurent， V.，Jarry， P.，Regazzoni， G.， etc. Processing-microstructure relationships in compocast magnesium/SiCJ. Journal of materials science， 1992， 27 (16): 4447-4459.17王文明，潘復(fù)生. 攪拌鑄造制備 SiCp/Al 復(fù)合材料的

36、研究現(xiàn)狀J. 輕合金加工技術(shù)，2004，32(4):13. 18謝國(guó)宏. 攪拌鑄造法制造顆粒增強(qiáng)(zngqing)鋁基復(fù)合材料的研究與發(fā)展J. 材料工程，1994，12:5- 719曾國(guó)勛，黎祚堅(jiān)，朱和祥. 液相攪拌(jiobn)鑄造法制備 SiCp/Al 復(fù)合材料的力學(xué)性能J. 特種鑄造及有色合金，2000，6:37-320齊海波,丁占來(lái),樊云昌. SiCp/Al 復(fù)合材料攪拌熔煉)液態(tài)(yti)模鍛成型工藝研究J. 材料科學(xué)與工程,2000,18:95-921袁廣江,章文峰,王殿斌,等. SiCp 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備及機(jī)加性能研究J. 復(fù)合材料學(xué)報(bào),2000,17(2):38-422Ge

37、ng L, Guan L N, Lv K M. Effects of Whisker Surfacetreatment on Microstructure and Properties of Al18B4O33w/6061Al CompositesJ. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(1):1-623Rajan T P D, Pillai R M, Pai B C. Review Reinforcement Coatings and InterfaceS in Aluminium Metal Matrix

38、 CompositesJ. Journal of Materials Science, 1998, 33:3491-35024Prabu S B, Karunamoorthy L, Kathiresan S, et al. Influence of Stirring Speed and Stirring Time on Distribution of Particles in Cast Metal Matrix CompositeJ. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 171:268-2725Krishnadev M R, An

39、gers R, Krishnadas C G, et al. The Structure and Properties of Magnesium-Matrix CompositesJ. Journal of Operations Management, 1993, 8(45):52-5426王曉軍. 攪拌鑄造 SiC 顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料高溫變形行為研究D. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文,2008:6-727Hashim J, Looney L, Hashmi M S J. The Enhancement of Wettability of SiC Particles in Cast Alu

40、minium Matrix CompositesJ. Journal of Materials Processing Technology, 2001, 119:329-3328Trespaille B P, Suery M. Microstructual and Mechanical Characterisation of Aluminum Matrix Composites Reinforced with Ni and NiP Coated SiC Particles Via Liquid ProcessingJ. Material Science and Technology, 1994

41、, 10(6):497-5029Valdez S, Campillo B, Prez R, et al. Synthesis and Microstructural Characterization of Al-Mg alloy-SiC Particle CompositeJ. Materials Letters, 2008, 62:2623-262530Schamm S, Fedou R, Rocher J P, et al. The K2ZrF6 Wetting Process: Effect of Surface Chemistry on the Ability of a SiCp- fiber Perform to be Impregnated by AluminumJ. Metallurgical Transactions A, 1991, 22(9):2133-21631Ribes H. Microscopic Examination of the Interface Region in 6061-Al/SiC Composites Rein