Smoothed particle hydrodynamics (SPH) modelling and experimental validation of filling and solidification processes of rapid gravity casting of AlSi13
Modélisation SPH et validation expérimentale des processus de remplissage et de solidification de la coulée rapide par gravité d'AlSi13
Résumé
The simulation of gravity sand casting process is complex and involves multiscale and multiphysics phenomena. Even though some commercial software is available, it is difficult to predict the filling dynamic when coupled with cooling, solidification, and the induced defects. In particular, oxidation prediction requires tracking the fluid front where oxidation forms, so their motion afterward in the melt is complex with mesh-based methods. Smoothed particle hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian simulation approach that is particularly well adapted to model the filling step of casting. Metal is modeled by free-moving particles of SPH approach, allowing reliable prediction of fluid flow incorporating complex free surface motion. This thesis aims to develop SPH approach to examine the filling, cooling, and solidification phases of rapid gravity casting of AlSi13. SPH numerical results of filling, cooling and solidification are validated experimentally and compared with commercial software (ProCAST).The initial step in achieving this thesis's goal is developing 2D casting SPH code, which was developed initially by LIFSE laboratory. Firstly, this SPH code is developed during this thesis in 2D to model the filling, cooling, and solidification processes of sand gravity casting. In order to analyze 2D gravity casting SPH code for a closed system, an experimental test case is specifically designed. Secondly, the SPH code is upgraded to 3D, and the numerical results of filling, cooling and solidification are studied in the case of a more realistic 3D casting and compared to experiment. Finally, the upgraded 2D and 3D validated SPH code provides the basis for future prediction of casting defects such as oxidation.
La simulation du processus de coulée en sable par gravité est complexe et implique des phénomènes multi-échelles et multi-physiques. Même si certains logiciels commerciaux sont disponibles, il est difficile de prévoir la dynamique de remplissage lorsqu'elle est couplée au refroidissement, à la solidification et aux défauts causés. En particulier, la prédiction de l'oxydation nécessite de suivre le front de fluide où se forme l'oxydation, donc leur mouvement par la suite dans la masse fondue est complexe avec les méthodes basées sur le maillage. La méthode ''smoothed particle hydrodynamics'' (SPH) est une approche de simulation lagrangienne qui est particulièrement bien adaptée pour modéliser l'étape de remplissage de la coulée. Le métal est modélisé par des particules en mouvement libre dans l'approche SPH, ce qui permet une prédiction fiable des écoulements fluides incorporant des mouvements complexes de surface libre. Cette thèse a pour objectif de développer l'approche SPH pour examiner les phases de remplissage, de refroidissement et de solidification de la coulée rapide par gravité d'AlSi13. Les résultats numériques SPH du remplissage, du refroidissement et de la solidification sont validés expérimentalement et comparés avec un logiciel commercial (ProCAST).L'étape initiale pour atteindre l'objectif de cette thèse est le développement du code SPH de coulée en 2D, qui a été développé initialement par le laboratoire LIFSE. Tout d'abord, ce code SPH est développé au cours de cette thèse en 2D pour modéliser les processus de remplissage, de refroidissement et de solidification de la coulée par gravité en sable. Pour analyser le code SPH de la coulée par gravité en 2D pour un système fermé, un cas test expérimental est spécifiquement désigné. Ensuite, le code SPH est amélioré en 3D, et les résultats numériques du remplissage, du refroidissement et de la solidification sont étudiés dans le cas d'une coulée 3D plus réaliste et comparés à l'expérience. Enfin, le code SPH validé en 2D et 3D fournit la base pour la prédiction future des défauts de coulée tels que l'oxydation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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