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大型船舶挂舵臂铸造工艺计算机模拟及优化.pdf

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河南科技大学 硕士学位论文 大型船舶挂舵臂铸造工艺计算机模拟及优化 姓名：张可锋 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：杨涤心;谢敬佩 20080601 摘要 论文题目：大型船舶挂舵臂铸造工艺计算机模拟及优化 专业：材料加工工程 研究生：张可锋 指导教师：杨涤心教授谢敬佩教授 摘要 挂舵臂是大型船舶的重要部件之一，是支撑、吊挂舵结构的关键件，重130 吨、尺寸精度高、形状复杂，这就给传统的铸造工艺带来很大困难，本课题通过 和中信重型机械公司合作，利用华铸CAE软件进行铸造凝固过程温度场的数值 模拟，预测出挂舵臂铸钢件初始工艺缩孔、缩松的位置和大小，解释了其缺陷的 形成机理，根据初始工艺的模拟结果分析认为缺陷是由于筒体底部壁厚较薄，而 且散热面积大，没有获得良好的温度梯度造成的。针对上述存在的缺陷对初始工 艺进行优化，结果表明：合理设置保温冒口套、在热节部位设置间接外冷铁，可 以保证挂舵臂铸钢件的凝固符合顺序凝固的原则，获得较满意的结果。 由于铸造凝固过程的温度场的数值模拟是基于“瞬间充型、初温均布”的假 设，即没有考虑流动场的影响因素，所以无法观测到金属液体在浇注系统和铸型 中的流动状态，而液态金属充型过程是铸造的主要组成部分，所以本文对挂舵臂 铸件进行充型过程的数值模拟，从而优化浇注系统设计，并且可以观测到液态金 属在型腔中的分布，避免卷气，浇不足等缺陷产生。 由于铸造凝固过程的温度场和充型过程的数值模拟都有假设，即对实际情况 作出了合理的简化，从某种意义上来说，和实际情况有一定的差别，而充型和传 热的耦合模拟充分考虑了实际情况，即同时考虑了液态金属在型腔中的流动和温 度的下降，更真实地反映出实际情况，从而确定出合理、可靠的优化工艺。 由于挂舵臂一般使用铸造低碳钢，在Fe-C相图中位于包晶区，其凝固特性 决定了挂舵臂铸钢件易形成显微夹杂、裂纹等缺陷，即使挂舵臂铸件中存在有少 量的非金属夹杂物，都会给船舶的使用中带来潜在的危险。本文采用ANSYS有 限元分析软件，对大型挂舵臂铸钢件试样中出现的不同类型、形状、分布的夹杂 物计算了在变载荷作用下，夹杂物及其周围基体等效应力场的分布，进而从宏观 力学的角度分析夹杂物的微观力学行为，为阐明夹杂物在复杂载荷下的失效机制 提供依据。 中信重型机械公司采用了优化后的工艺，并结合了以往挂舵臂的实际生产情 况和现有的工程设备，进行了实际生产。其工序一般包括：冶炼、配砂、造型 I 河南科技大学硕士学位论文 （制芯）、合箱（压铁）、浇注、清砂、铸后热处理、切割冒口、精整及缺陷焊 补、粗加工、性能检测等，并且严格控制每一工序的细节问题，避免影响挂舵臂 的最终质量。通过对随体试棒作拉伸、SEM试验，结果表明符合挂舵臂铸钢件 的生产技术要求，并且在铸件表面、圆角处进行磁粉探伤和在大舵轴孔200mm 处进行超声波探伤，满足DNV（挪威船级社）质检标准，获得了组织致密、性 能优良的挂舵臂铸钢件。 关键词：挂舵臂铸件，铸造工艺设计，计算机模拟优化，应力场，实际生产 论文类型：应用研究 II 摘要 Subject:ComputerSimulationandOptimizationonCastingTechnology ofRudderHornofLargeShip Specialty:ProcessingEngineering Name:ZhangKe-feng Supervisor:YangDi-xinXieJing-pei ABSTRACT Rudderhornisoneoftheimportantpartsoflargeshipanditisthekeypieceof supportingandhangingtherudder.Theweightofrudderhorncastingis130tons,it bringsgreatdifficultytothedesignoftraditionalcastingprocessbecauseofhigh precisionandcomplexshape.ThispapercooperatewithCITICHeavyIndustries COLTD,temperaturefieldofcastingsolidificationprocessingissimulatedbyusing HUAZHUCAEsoftware,thesizeandlocationofshrinkageandporosityininitial processofrudderhornsteelcastingarepredicted,formationmechanismofitsdefects isexplained.Accordi