機械工程學院級碩士研究生一級學科實驗任務書
實驗人員實驗成績
指導老師：
實驗時間： 實驗學時：2學時
實驗地點：
實驗名稱：顆粒系統的離散元模擬與測試實驗
實驗裝置：edem軟體
實驗內容：1）edem軟體開發及應用
2）edem軟體操作過程
3)基於edem的箱體澆注實驗設計
基於edem的箱體澆注實驗設計
一.實驗目的和任務
1.設計乙個箱體澆注實驗，並給出實驗方案的設計過程和流程圖；
2.在流動場條件下施加振動對固體顆粒運動的影響，試圖得到顆粒在複雜的鑄件結構下的充型狀態圖等，並分析各個振動條件（振動自由度、頻率、振幅）對充型情況影響程度的大小。
3.分析引數對充型過程的影響，找出最佳實驗方案。
二．實驗內容
1.實驗原理
利用edem與fluent固液耦合的方法研究在固液兩相流的條件下，機械振動對鑄造充型過程的影響，隨著計算機模擬技術的發展，將計算機模擬技術和鑄造過程相結合已經成為一種趨勢。鑄造過程數值模擬可以**鑄件的缺陷，如縮孔、縮松、裂紋、氣孔及澆不足等，並通過影象直觀地顯示其位置和大小，從而為技術人員提供參考。在生產前制定合理的工藝方案，可以減少多次試製造成的浪費。
通過觀察溫度場，技術人員可以分析氣孔和澆不足等缺陷；觀察金屬液體充型時的流場分布情況，可以分析澆注系統是否合理；通過對凝固過程的分析可以**縮孔、縮松、應力集中和裂紋等缺陷。通過對充型和凝固過程的分析，可以尋找最優的鑄造引數。
2.實驗設計過程
首先是設計出合理的減速機箱體的鑄造尺寸，完成箱體的三維建模，然後利用procast對靜止條件下的模型進行簡單充型，通過edme-fluent進行耦合，設定耦合引數，進行實驗，調節引數的大小，記錄實驗結果，並整理。接著對實驗結果進行耦合分析，尋找最優的鑄造引數，然後確定最佳鑄造方案。其流程圖如下圖所示：
減速機箱體澆注的實驗流程圖
3.實驗具體步驟
（1）根據實際情況，計算出毛坯件尺寸要留有加工餘量，並用proe或solidworks完成三維建模，模具示意圖如下圖所示：
圖1 減速機箱體模具示意圖
（2）進行procast充型**，將三維建模圖形轉為igs格式，匯入procast軟體進行網格劃分，之後選擇材料、邊界條件、介面傳熱條件，在由計算機求解轉化為視覺化結果或者結果分析。
（3）運用edem進行固液耦合，耦合的模型選擇尤拉法—尤拉耦合模型。
（4）設定模型引數和顆粒屬性。 在globals選項卡中設定全域性變數，包括重力、材料和接觸引數等資訊。重力加速度設為-9.
81m/s2，方向為z向。**模型設為接觸碰撞模型，顆粒與幾何體的材料引數如表2和表3所示。選擇球形顆粒作為**模型，設定顆粒直徑為0.
2mm。
表2 材料引數
表3接觸引數
（2）利用前處理軟體gambit生成非結構四面體網格，減速機箱體在cfd中計算區域為模型內部型腔，計算入口速度設為1m/s，出口採用壓力出口，模型外殼為壁面邊界，採用尤拉兩相流模型，在fluent中設定液體引數，固體顆粒設定為固體ht250，湍流模型採用k-s模型，速度-壓力模型採用******演算法。
4.實驗模擬及結果分析
為了考察不同振動條件對金屬液充型過程的影響程度，減少試驗次數，進行正交實驗，確定各因素的顯著水平，討論不同引數條件下，考察區域內充型顆粒數目n的大小，耦合時間為1s.
減速機箱體因素水平表
減速機箱體正交試驗表
在固液兩相流耦合的情況下，edem中顯示結果，觀察在不同振動條件下，金屬液充型過程中顆粒的運動狀態，在固液耦合過程中，多維振動充型開始時，金屬液中的固體顆粒從內澆道頂端以一定初速度開始生成，並在重力以及液體的衝擊下開始自內澆道下降。隨著顆粒的連續生成，顆粒隨著液體的流動而流向型腔內部，金屬液受到多維振動所施加的力不同，金屬液對顆粒的衝擊程度也不同，顆粒能夠到達的位置也不同。
在本次實驗中，影響充型過程的主要因素有三個，自由度、頻率和振幅，通過減速機箱體對對這三個因素的敏感度的不同，分析出最優鑄造引數，進而找到最佳鑄造方案。
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