半固态熔体流变性测量数值分析及实验研究

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半固态成形技术综合了凝固成形和塑性成形的优点,生产的零部件质量媲美塑性成形件而生产成本接近凝固成形,因此在汽车轻量化等领域有着广阔的应用前景。经过特殊工艺制备的半固态金属熔体有着不同于液态和固态的流变行为,是具有剪切变稀特性的非牛顿流体的一种,其中表观粘度是衡量半固态金属熔体流变性的一个重要指标,同时半固态金属熔体表观粘度的大小对于其成形过程具有重要的指导作用。同轴双筒流变仪是最常用的研究半固态熔体流变性的装置,但是这种流变仪的测量原理是在牛顿流体假设的基础上推导出来的,流变仪所使用的误差修正方法无法满足半固态熔体表观粘度测量的需求,另外现有的适用于半固态熔体的流变仪多为科研机构自行搭建和设计,测试方法以及设备结构并还没有形成统一的标准,导致半固态熔体表观粘度数据千差万别。本文旨在研究同轴双筒流变仪的形状参数以及测量系统内的待测浆料流动状态对半固态熔体表观粘度测量精度的影响,并在此基础上给出适用于剪切变稀非牛顿流体表观粘度测量误差的修正,指导测量半固态熔体表观粘度高温流变仪的设计以及表观粘度测量方法的制定,主要完成工作如下:(1)使用ANSYS Fluent定量地分析了同轴双筒流变仪测量半固态熔体表观粘度过程中端面效应误差,发现在剪切变稀流体表观粘度测量过程中,端面效应造成的误差是表观粘度测量误差的重要组成部分,这是因为内筒端面的平均剪切速率要比内外筒间隙处小得多而导致端面附近流体粘度比间隙内要大很多,通过理论推导、模拟数值分析以及Al2O3悬浮液表观粘度测试实验提出了一种通过拟合内筒扭矩M和浸入深度h线性关系后计算平均内筒附加高度(?)修正同轴双筒流变仪测量剪切变稀流体表观粘度过程中端面效应误差的方法。(2)使用ANSYS Fluent模拟同轴双筒流变仪测量表观粘度过程,研究了流变仪形状参数如内、外筒半径比α、内筒浸入深度h、底面高度H、内外筒间隙δ以及内筒端面形状对表观粘度测量精度的影响规律,并通过Al2O3悬浮液表观粘度实验对模拟中得到的部分结论进行了验证。(3)研究了测量系统内流体的流动状态对表观粘度测量精度的影响,根据旋转Couette流的特性,使用ANSYS Fluent定量地分析了Taylor涡对同轴双筒流变仪表观粘度测量精度的影响,在Couette流稳定性研究的基础上给出了避免出现Taylor涡和端面湍流的内筒极限转速经验公式。
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