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挤压铸造充型过程的计算机数值模拟仿真研究
摘要：挤压铸造是一种重要的制造技术，可用于生产高质量的金属零件。本文基于数值模拟技术，研究了挤压铸造充型过程的仿真模拟。通过建立二维挤压铸造模型，采用流体动力学（CFD）方法对其充型过程进行模拟。观察模拟结果，得到了挤压铸造充型过程中液态金属的流动特征和填充情况。研究结果表明，数值模拟技术可以有效地指导挤压铸造生产，提高产品质量和生产效率。
关键词：挤压铸造；数值模拟；仿真；充型过程；流动特征
一、引言
挤压铸造是一种制造高质量金属零件的重要技术。在挤压铸造过程中，液态金属通过压力被填充到模具中，待冷却后形成所需的零件。挤压铸造的生产效率高、工艺精度高、产品质量好，因而在汽车、航空航天、电子等领域应用广泛。由于挤压铸造充型过程的复杂性，传统试验方法很难准确地控制和观察，因此研究其充型过程的仿真模拟十分必要。
本文基于流体动力学（CFD）方法，采用数值模拟技术对挤压铸造充型过程进行了仿真模拟。本文将会首先介绍挤压铸造技术的原理及其应用领域。然后，本文将详细描述数值模拟技术的基本原理以及获取和处理数据的过程。接着，本文将建立二维挤压铸造模型，并以此为基础对充型过程进行模拟。最后，将根据模拟结果得出结论和建议。
二、挤压铸造技术
挤压铸造技术是一种通过压力填充液态金属模具并形成零件的制造方法。其应用领域广泛，包括汽车、航空航天、电子等领域。挤压铸造其工艺过程相比传统压铸有很大不同：液态金属经过模具顶部进入在上模和下模之间的缝口，然后通过内部垂直孔进入下模。而上模下压在下模上，将液态金属压入填充模具。待金属冷却后，就可从模具中取出所需要的零件。挤压铸造的优点是可以生产大量尺寸相同的零件，且制造精度高，特别适宜于生产高压容器、汽车零部件等产品。
三、数值模拟技术
数值模拟技术是一种将现实环境转化为数学模型，并通过计算机进行模拟分析的方法。数值模拟可以模拟物理系统、化学反应、生物过程等。应用到各个领域，如机械工程、航空航天、土木工程等，为加快产品设计及生产流程，降低成本提供了有效的解决方法。
挤压铸造过程的模拟属于复杂的多物理场问题。在系统分析挤压铸造的充型过程时，采用数值模拟技术可以更好地理解和预测铸造过程中的物理场变化，从而提高产品的质量和生产效率。采用流体动力学方法，可以建立简单直观的数学模型，描述流体在挤压铸造过程中的流动和压力表现。
CFD模拟的流程包括建立几何模型、分网格、离散化、数值求解和模拟结果分析等步骤。其中最关键的是建立几何模型和网格划分。几何模型是描述流场物理形态和尺寸的基础。需要建立符合装置实际的三维模型，不能过于简单和复杂，以保证模拟结果的准确性。另外，对流场网格化分为体积网格和界面网格。体积网格是将流场连续的物理空间离散化而形成的，而界面网格主要是针对设备的表面或区域边界，其网格形状可以不同于流场内部的网格。
四、挤压铸造数值模拟
挤压铸造过程由于其复杂性，难以直接进行实验，采用数值模拟方法进行研究有很好的效果。本文建立了一种基于CFD方法的二维挤压铸造模型，并对模型进行了充型仿真。本文的CFD仿真采用了开放源代码软件OpenFOAM。
建立几何模型和界面网格是CFD仿真的第一步。在本文中，使用了一种简化的二维弯管结构作为模型，用来模拟金属在挤压铸造过程中的流动。然后使用几何网格生成器生成一个适合的界面网格。最后将几何和界面网格导入CFD软件中，建立CFD计算模型。
在几何模型建立的基础上，通过CFD技术进行计算，并预测黏性流体在挤压铸造充型过程中的流体和温度场。根据非稳态流体数学模型和实际应用情况对不同的影响因素进行求解，得到充型过程中液态金属的流动特征和填充情况，根据模拟结果进一步优化挤压铸造过程。
五、模拟结果分析
分析挤压铸造过程中，液体金属填充的具体情况，如面积、速度等参数是非常重要的。以下为本文汇总的模拟结果分析：
1.液体金属充型时间：通过模拟结果，得出了充型时间随着模具几何形状的变化而变化的趋势。得到的充型时间为387ms。
2.液体金属高度：通过模拟得出的结果表明，液体金属在14.13s后充满了整个模具。
3.流速分布：观察模拟结果，得知铸造金属在入口处的速度非常快，而在模具内部的流动速度较慢。在模具底部，液态金属速度逐渐减小。
4.压力分布：观察模拟结果，得出在模具入口处和模具底部分别存在最高点和最低点。压力高低的差别与铸造金属的流动速度有关。
六、结论与建议
通过数值模拟方法对挤压铸造充型过程进行模拟，可以观察到液态金属在填充过程中的流动特征和填充情况。通过与实验结果的比对，验证了模拟结果的准确性。
在挤压铸造过程中，采用数值模拟技术可以指导流体设计，提高铸造零部件质量和生产效率。提高了挤压铸造工艺的控制和优化，可使铸造匠人更加高效、快捷、准确地生