大型船舶挂舵臂铸造工艺计算机模拟及优化.pdf

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:ComputerSimulationandOptimizationonCastingTechnologyofRudderHornofLargeShipSpecia