半连续铸造是有色合金工业生产中最重要的铸造工艺之一,它能够实现生产过程自动化、简化工艺流程、节约能源、提高劳动生产率,在现代冶金生产中占有重要的地位并受到广泛的重视。在国内,常规的半连续铸造由于制造工艺等方面的原因,铸锭内部或表面经常产生组织不均匀、铸造应力与裂纹等缺陷,尤其对于传统上难于铸造的高合金大铸锭更是如此。利用超声波细化凝固组织、改善温度场、应力场形态,有利于铝合金成型过程的优化,获得高性能的铸造产品。本论文重点探讨超声波在铝熔体中的传播特性、超声空化效应、超声能量传播机制及功率超声对纯铝凝固过程的影响。论文的主要研究内容包括以下方面:1.根据惠更斯原理,将换能器端面划分为无数细小的面元,采用瑞利积分法,计算出正六边形、正方形、圆形变幅杆端面声场分布情况和各自的声场指向性函数。利用Matlab软件,计算出不同端面形状的变幅杆在不同波数下的声场指向性,得出在不同波数下,不同端面换能器声场指向性的变化规律。并给出在相同的波数和物性条件下,三种换能器声场指向性的比较。2.通过对超声振动系统在铝熔体中导纳特性的分析,研究换能器机械品质因数与声压、声强的相互关系。根据声波折/反射原理,推导出超声波从振动系统传递到工具头与熔体接触界面的声压幅值,同时建立了声压、声强的相关数学模型,讨论在铝熔体中的功率超声的分布情况,并计算出超声波在铝熔体中的声强特征量值。3.研究超声空化在高温铝熔体中作用的基本原理,探讨物理参数对超声空化的影响,建立相关的数学模型,采用Matlab软件对Rayleigh-Plesset方程进行数值计算,研究在高温铝熔体中,超声频率、声压和空化泡的初始平衡半径等对超声空化作用的影响。4.通过Marc软件仿真直径φ300mm纯铝圆铸锭半连铸过程,仿真出二维液穴曲线,结合超声电源和变幅杆,建立声场在铝熔体中分布数学模型,研究和探讨超声波在铝熔体中的传播特性和声场分布规律,分析超声波传播到凝固前沿声波的折反射情况,计算出声压在凝固前沿各点的声压值。并探讨超声波在铝熔体中发生空化效应的行为特征,由声压分布规律,运用Matlab软件,利用差商迭代法,对空化气泡壁运功Rayleigh-Plesset方程进行数值计算,分析在不同初始半径下纯铝超声半连铸发生空化效应的范围,探索空化效应对铝锭组织的影响规律。5.研究在一定超声参数条件下,功率超声对铝熔体凝固过程的影响。着重论述空化效应及其产生的高温高压理论,从而讨论局部高温高压在铝熔体凝固过程中引发的各种效应和动力学问题,并从空化效应、声流效应和力学效应等方面,探讨功率超声对高温铝熔体凝固过程中的作用机理。通过对铝的组织结构的对比分析得出结论:功率超声对高温铝熔体凝固过程是多种效应综合作用的结果。