轮型铸件充型过程的数值模拟毕业设计论文.pdf

轮型铸件充型过程的数值模拟轮型铸件充型过程的数值模拟轮型铸件充型过程的数值模拟摘要铸造过程数值模拟技术是当今公认的材料科学的重要前沿领域，主要包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。铸造过程的数值模拟可以定量地揭示很多铸造工艺参数对充型与凝固过程的影响规律，从而为铸造工艺参数优化提供有价值的决策依据。本课题以电梯曳引轮铸件为模拟对象，采用商用软件Solidworks对其铸件模型及其浇注系统、补缩系统进行三维建模，并将该造型结果导入ProCAST，而后用ProCAST软件对该铸件的充型与凝固过程进行数值模拟，根据模拟情况对其模型进行优化，最后研究不同的浇注温度、浇注速度、冒口大小等工艺参数对该铸件充型与凝固过程的影响。结果表明浇注温度过低可能会导致浇不足，过高会导致补缩不良，产生缩孔，浇注速度过慢也可能会导致浇不足，过快会导致容易卷入气泡和夹杂等，冒口尺寸的不同也会对充型与凝固过程造成不同的影响。关键词：电梯曳引轮，Solidworks，ProCAST，数值模拟，充型与凝固轮型铸件充型过程的数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFFILLINGPROCESSOFWHEELSHEPEDCASTINGSABSTRACTNumericalsimulationtechnologyofcastingprocessiscurrentlyrecognizedasanimportantfrontierfieldofmaterialssciencewhichincludescastingfillingandsolidificationprocessespredictionofshrinkageporositystressfieldhotcrackcomputersimulationofmicrostructureandsoftwaredevelopment.Numericalsimulationofcastingprocesscanquantitativelyrevealtheinflunenceofmanycastingprocessparametersonthefillingandsolidificationprocessesthusprovidingvaluabledecision-makingbasisforcastingprocessparametersoptimization.Theresearchinthispaperuseswheelshapedcastingassimulationobjectandthe3D-modelingofthecastingsystemwasbuiltusingthecommercialsoftwareSolidworksthenthemodelingfilewasimportedintoProCASTthroughwhichthemeshingandpre-processingandtemperaturefieldvelocityfieldandstressfieldweresimulatedTheeffectofdifferentpouringtemperaturecastingspeedrisersizeonthefillingandsolidificationprocessesofcastingswerestudied.Theresultsshowthatifpouringtemperatureistoolowmisrunwilloccurandtoohighpouringtemperaturewillleadtopoorfeedingandcausesshrinkagecavityandifcastingspeedistooslowmisrunwilloccurotherwisetoofastcastingspeedwillleadtoeasytogetinvolvedinbubblesandinclusionsetcalsothesizeofriserscancausedifferenteffects.Keywords:Elevatortractionwheel，Solidworks，ProCAST，Numericalsimulation，Fillingandsolidificationprocesses轮型铸件充型过程的数值模拟目录1绪论.11.1引言.11.2铸造过程数值模拟的研究现状.21.3研究目的.31.4ProCAST软件的应用.32电梯曳引轮三维模型的建立及计算的参数条件.52.1电梯曳引轮铸件浇注系统的三维造型.52.1.1电梯曳引轮的材料及关键尺寸介绍.52.1.2模型的三维造型及关键尺寸.52.2ProCAST软件中的数值模拟计算.83算例优化及其结果分析.203.1冒口尺寸及高度影响的分析.203.1.1设计方案一.203.1.2设计方案二.233.1.3设计方案三.263.2浇注温度影响的分析.283.2.11380充型模拟.293.2.21400充型模拟.313.2.31450充型模拟.333.3浇注速度影响的分析.363.3.10.5ms浇注速度模拟分析.363.3.22.0ms浇注速度模拟分析.384结论.42参考文献.44致谢.46轮型铸件充型过程的数值模拟译文及原文.47轮型铸件充型过程的数值模拟111绪论绪论1.1引言在实际生产中为了可以生产出合格的符合工作需要的铸件，我们需要对影响铸件充型凝固过程的因素进行控制。铸造（充型与凝固）过程的数值模拟可以定量地揭示很多铸造工艺参数对充型与凝固过程的影响规律，从而为铸造工艺参数优化提供有价值的决策依据。随着科学技术的发展计算机数值模拟技术已经成为了一个强有力的辅助铸造工艺设计的工具。近20年来，由于计算机模拟方法可以弥补很多试验方法的不足，并且对于解决复杂因素的很多问题也有很大的帮助，所以现在铸造凝固过程的数值模拟技术得到了全世界范围的广泛重视。迄今为止，铸件凝固温度场和铸件充型过程的数值模拟技术已比较成熟，并已经在生产过程中得到了广泛应用1。数值模拟技术随着计算机的发展和普及已经得到了快速的发展，应用领域也不断扩大。现在计算机辅助设计、辅助工程分析、辅助制造等计算机技术正在不断深入和扩大在材料科学领域的应用，计算机数值模拟技术现在已经成为了材料科学领域里的技术前沿吸引了很多学者在该领域进行积极的研究。同时就铸造领域而言，铸造过程的计算机数值模拟技术已经成为了目前计算机在铸造充型凝固过程的分析研究和在实际生产应用中最为核心的内容之一，并且涉及到了很多知识内容，如铸造基本理论、凝固基本理论、数值计算和分析、计算机的图形学应用等多个学科，是目前学术界公认的材料科学的新兴发展方向并且有着很大应用面的前沿领域。铸造过程数值模拟技术可以协助改进工艺设计、提高铸件的质量、缩短产品的开发周期、减少产品的制作成本，现在已经在全世界范围得到了广泛应用。ProCAST是现在世界上应用广泛的铸造过程的模拟软件，它可以模拟铸造过程中的流动过程，并且精确地显示浇不足、冷隔、夹气、预测缩孔、缩松和铸造过程中微观组织的动态变化，还能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应轮型铸件充型过程的数值模拟2力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造工艺参数和工艺方案2。本文针对典型轮型铸件电梯曳引轮，在Solidwork软件上对其铸造系统进行三维造型并优化完善，然后用ProCAST软件对其充型和凝固过程进行数值模拟，以研究温度，速度，冒口，型砂等因素对其充型凝固过程的影响。1.2铸造过程数值模拟的研究现状目前，铸造过程的计算机数值模拟技术在世界范围内的主要应用包含铸件充型、凝固过程的充型时间、凝固时间、缩松缩孔产生的分析预测、应力场模拟、热裂、铸件微观组织的观察等研究内容1。铸件充型凝固过程中的流场和温度场的计算主要目的是对铸件凝固过程中可能产生的缩孔、缩松、浇不足等宏观缺陷进行模拟和预测，然后对工艺设计进行优化从而控制铸件的内部质量，以达到实际生产工作的要求1。随着数值模拟技术和计算机技术的不断发展，过去十多年来有关模拟方面的工作主要集中于宏观尺度的模拟，而且已经形成了商业化软件，进入工程化的应用1。铸件的充型凝固过程是一个根据温度变化而变化的传热过程，铸件浇注凝固过程中的温度场的变化决定着铸件各种缺陷的产生，所以对于温度场的计算是铸件充型凝固过程计算机数值模拟技术的核心部分。目前广泛应用的铸造技术通常包括砂型铸造、石膏型铸造、金属型铸造、垂直分型、微重力和反重力、压铸（包含低压和高压）、熔模铸造、离心铸造等，这些广泛应用的铸造工艺也正在使用数值模拟技术进行模拟仿真，通过对铸件充型凝固过程进行模拟仿真以达到工艺优化的目的，最终提高铸造的合格率和生产率。铸造模拟仿真技术在铸造缺陷预测、凝固过程模拟等多个方面，经过了30余年的不断发展，以充型、凝固、缩孔缩松预测为主的通用宏观铸造和微观模拟技术已经逐渐成熟，并且已在生产中取得了显著的经济效益及社会效益1。铸造数值模拟技术一直以来都是国内外材料数值模拟工作者们非常关注的问题，并且针对铸钢、铸铁以及铝合金等常用材料的缺陷分析已经做了大量的工作，也大大地提高了预测水平。现在，缺陷数值模拟分析技术正在沿着宏观和微观组织分析相结合的方向发展，而且正在不断完善并引进了新的分析技术。近些年来，国内外的学者已经对不同铸件的充型凝固过程进行了多方面的数值模拟，利用模拟的结果达到工艺优化和增加实际生产效率的目的。主要有运用ProCAST软件对叶轮铸造3的工艺过程进行了数值模拟，分析了在温度场下型壳轮型铸件充型过程的数值模拟3初始温度对铸件缺陷的影响和其他浇注条件下铸件的质量；对等温淬火球墨铸铁车轮浇注系统4铝合金轮毂低压铸造5带轮铸造工艺6等运用ProCAST进行了数值模拟并改进了一些工艺方案以达到优化浇注系统的目的。目前，计算机技术在铸件充型凝固过程数值模拟技术中的应用主要集中在以下的几个方面：铸件充型凝固模拟，缩松缩孔的产生及预测，应力场模拟，凝固过程微观组织观察。本课题主要针对轮型铸件对其前三个方面进行数值模拟研究。1.3研究目的通过铸件充型凝固过程的计算机数值模拟可以实现下述目的：1.预知铸件充型凝固的时间以便预测生产率；2.预知铸件冷却成型时间；3.预测和观察铸件内部缩孔和缩松的产生情况；4.预知铸型的表面以及内部的温度场分布，来研究铸件的浇注成型情况；5.控制铸件充型凝固的条件，进行工艺优化；6.预测铸件内部应力场情况，对铸件实际工作状况进行评估。1.4ProCAST软件的应用ProCAST是为评价和优化铸造产品和铸造工艺而开发的专业CAE系统，借助于ProCAST系统，我们可以对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量，优化铸造设备参数和工艺方案2。ProCAST为铸造工程师在铸造工艺中遇到的困难提供了新的解决方法，它拥有功能强大的自动网格剖分功能，铸造工程师用ProCAST软件能够直观地展现铸件在凝固过程中的流动场、温度场和应力场，通过仿真模拟，以达到优化铸造工艺参数和工艺方案，同时预测缩松缩孔缺陷等的目的7。ProCAST软件适用于砂型铸造、半固态铸造、离心铸造、倾斜铸造、精密铸造、压铸、低压铸造、金属型铸造、连续铸造等特种铸造方法。ProCAST软件可以分析温度场、应力场、缩孔缩松产生、浇不足、冷隔、裂纹、冲砂、变形等多种浇注中遇到的问题，还具有模具寿命分析、工艺开发的功能，并且ProCAST软件可以模拟分析几乎所有的铸件充型凝固及实际生产过程中可能出现的问题，轮型铸件充型过程的数值模拟4为铸造工程师提供全新的方式来观察研究铸件的铸造过程，还可以让他们观察到型腔之内的铸件在浇注凝固过程中所发生的情况，从而给予他们对原有工艺进行优化并设计产生新的设计方案的可能性。其模拟的结果也可以在各种浏览器中显示并且可以将模拟结果保存成各类格式图片或者动态图，这样比较复杂的铸造过程都能够通过计算机模拟进行讨论和研究。轮型铸件充型过程的数值模拟522电梯曳引轮三维模型的建立及计算条件电梯曳引轮三维模型的建立及计算条件2.1电梯曳引轮铸件浇注系统的三维造型本课题选用的曳引轮是曳引机上的绳轮，也称曳引绳轮或驱绳轮，是电梯传递曳引动力的装置，在实际生活中有着广泛的应用。2.1.1电梯曳引轮的材料及关键尺寸介绍1、电梯曳引轮材料及其结构要求(1）材料及工艺要求：由于电梯曳引轮工作时要承受轿厢、载重量、对重等装置的全部动静载荷，因此要求曳引轮需具备强度大、韧性好、耐磨损、耐冲击的特点，所以在材料上多用QT600-3球墨铸铁，该材料的液相线温度为1148，固相线温度1090。(2）电梯曳引轮的直径:曳引轮的直径一般要大于钢丝绳直径的40倍。在实际生产中，一般都选取4555倍的大小，有时还需要大于60倍。同时为了防止因为电梯曳引机体积增大及减速器的减速比增大而产生的问题，对于电梯曳引轮直径大小的选择应当适宜，本课题中采用的曳引轮尺寸为直径600mm，宽度150mm。(3）电梯曳引轮的结构:整体的电梯曳引轮主要由两部分构成，中间部分为轮筒，外面部分是制成轮圈式的绳槽，曳引轮的转动轴就是减速器的蜗轮轴，一般内外部分会有铰制螺栓连结。在本课题中，为了浇注的可行性，建模时采用一体式造型，取消了铰制螺栓连结的方式。2、电梯曳引轮的绳槽形状在电梯曳引轮上，用来驱动电梯运行的曳引力是通过曳引绳和曳引轮绳槽之间的静摩擦力产生的，所以曳引轮绳槽的形状直接关系到曳引力的大小和曳引绳的使用寿命。曳引轮绳槽形状主要分为：半圆槽，V形槽和U形槽。2.1.2模型的三维造型及关键尺寸(1）零件造型、尺寸及工程图轮型铸件充型过程的数值模拟6图2-1曳引轮Solidworks零件造型图2-1为Solidworks曳引轮造型，曳引轮外圆直径为600mm，内圆直径为120mm，宽度为150mm；绳槽为U形槽，尺寸为1225mm，高度为20mm，绳槽间距10mm；内面宽度为30mm，加强筋宽度19.5mm；键槽尺寸为3218mm。(2)铸件图为了方便浇注及减少浇注中的缩孔和浇不足的情况，现将原零件图进行简化以继续下一步的浇注模拟工作。简化后的铸件三维造型如图2-2所示。图2-2曳引轮铸件Solidworks造型图2-2中曳引轮铸件尺寸在原零件直径和宽度方向上分别加大10mm，即留轮型铸件充型过程的数值模拟710mm的加工余量，绳槽、键槽在铸件成形后采用机械加工成形，简化后的主要尺寸为：外径610mm，内圆直径130mm，宽度160mm，6个内圆孔直径为100mm。考虑到球墨铸铁凝固收缩较明显，在液态和凝固状态下，铸铁液的体积收缩会导致铸件产生缩孔、缩松，所以我们在在铸件模型上加了多个冒口，同时考虑到冒口一般设计在铸件的最高和最厚的位置，所以我们将冒口设置在铸件的加强筋和外壁和内壁的接触位置，于是对应于加强筋位置，一共设计了十二个冒口，另外对于冒口尺寸的确定，根据铸件的技术要求及其结构和使用的情况，采用大冒口集中补缩措施，初步设计的尺寸如下面设计方案一所述。另外对于浇注系统的设计，因为该铸件体积较大，我们采用直浇道加横浇道的浇注方式，另外在横浇注中间位置，设置有渣包来对铸件浇注位置进行一定的补缩。带有直浇道、横浇道、渣包及冒口的铸件造型如图2-3所示。图2-3Solidworks铸件系统造型其中，直浇道直径50mm，向上拉伸275mm，向下拉伸50mm，横浇道尺寸为5050135mm，横浇道上渣包为5050mm，拔模100mm，拔模角度5，外圆边及内圆边处12个冒口为圆周阵列，具体尺寸在下面算例中通过不断进行优化来选择最优的冒口尺寸。铸件建模完成后需要与砂箱完成装配，形成型腔，砂箱为1000550mm的圆柱体，图2-4所示为执行“型腔”命令之后形成的装配体。为了观察的方便，显示样式更改为线架图，以便很好地观察到内部结构。轮型铸件充型过程的数值模拟8图2-4砂箱与铸件为了方便和加快ProCAST中充型凝固的计算以及缩短整个流程的运算时间，考虑到该模型是左右对称的，所以我们可以仅模拟计算该模型的一半，就可以得到整个铸件充型的情况并反映也可能出现的问题，然后也进行优化工作。修改后的模型如图2-5所示。图2-5砂箱与铸件半型2.2ProCAST软件中的数值模拟计算（1）ProCAST软件模块组成ProCAST铸造模拟仿真软件主要是由以下几个主要模块构成:MeshCAST网轮型铸件充型过程的数值模拟9格划分模块、PreCAST前处理模块、DataCAST数值计算模块、ProCAST计算分析模块、ViewCAST结果观察模块。其应用流程为：1用Solidworks造型软件建立铸件和浇注系统的三维模型；2将该三维模型另存为Parasolid文件，然后导入到ProCAST软件，依次通过MeshCAST模块进行网格剖分、PreCAST模块进行初始条件确定（材料物性、边界条件、起始条件等的设定）、DataCAST模块进行数据加载、ProCAST模块进行仿真计算，最后在ViewCAST模块中进行观察分析；3由模拟结果分析充型凝固过程，并完善铸件浇注系统模型及优化铸造工艺参数。（2）MeshCAST上的模型面网格和体网格划分MeshCAST可以生成用于计算有限元的四面体网格，在生成四面体网格前首先要在三维造型表面及内部结合面上生成三角形面网格。网格生成的具体过程如下：1打开Parasolid文件；2用几何修复工具做必要的修复；3用面网格生成工具生成面网格；4用体网格生成工具生成体网格；5最后用观察分析工具进行分析和优化。以冒口直径80mm的模型为例，生成的面网格和体网格如图2-6和图2-7所示。轮型铸件充型过程的数值模拟10图2-6铸件的面网格划分1)铸件轮型铸件充型过程的数值模拟112)型砂图2-7铸件的体网格划分铸件与型砂（3）PreCAST前处理PreCAST模块是ProCAST软件的前处理部分，是对后续计算的一些参数进行设置，其主要操作流程为：首先导入体网格文件，然后依次进行材料Materials设置、铸件中各个组件之间界面条件Interface的设置、边界条件Boundary的设置、工作环境Process设置、初始条件InitialCondition设置、运行参数Runparameters设置等。具体参数的设置:1Materials材料设置Materials中进行Assign和Stress材料参数设置，本浇注系统中铸件材料为QT600-3球墨铸铁8，在ProCAST中对应于Fe_GGG_60，材料选择如图2-81）所示；铸型材料为硅砂，在ProCAST中对应于SAND_Silica，材料选择如图2-82）所示，并将铸件区域设为“空”，另外，为进行应力计算，将SAND_Silica设置为刚性，Fe_GGG_60设置为铸铁应力。轮型铸件充型过程的数值模拟121)铸件材料设置2)铸型材料设置图2-8浇注系统材料选择其中Fe_GGG_60和SAND_Silica材料物性如下：1Fe_GGG_60球墨铸铁材料物性成分：Si2.880%，Mn0.340%Cu0.640%C3.530%P0.017%S0.060%Mg0.050%其余为Fe；热导率：33.44WmK；密度：密度随温度变化如图2-9所示；轮型铸件充型过程的数值模拟13图2-9球墨铸铁密度随温度的变化比热：比热随温度变化如图2-10所示；图2-10球墨铸铁比热随温度的变化固相分数：固相分数随温度变化如图2-11所示；轮型铸件充型过程的数值模拟14图2-11球墨铸铁固相分数随温度的变化潜热：271.700KJkg；液相线与固相线：液相线1148，固相线1090；粘度：粘度随温度变化如图2-12所示。图2-12球墨铸铁粘度随温度的变化2.2.SAND_Silica硅砂材料物性热导率：热导率随温度变化如图2-13所示；轮型铸件充型过程的数值模拟15图2-13硅砂热导率随温度的变化密度：1520kgm3；比热：比热随温度变化如图2-14所示。图2-14硅砂比热随温度的变化2Interface界面设置在本算例中所有的界面类型都要从EQUIV型转换为COINC，并单击Apply按钮，使之生效，并将铸件和砂型的热交换值设置为500Wm2K，如图2-15所示。轮型铸件充型过程的数值模拟16图2-15界面设置3Boundary边界条件设置在本算例中，砂箱上的所有外轮廓面的边界条件设置为自然空冷，砂箱底部的温度设置为常温20，并且在直浇道顶面的部分节点上施加温度和速度的边界条件，如图2-16，其具体数值根据下面所述的算例确定。图2-16设置边界条件4Process重力设置在Process菜单下设置重力加速度矢量，如图2-17，X方向加速度设为-9.8ms2。轮型铸件充型过程的数值模拟17图2-17设置重力5InitialCondition初始条件设置砂箱初始温度设置为20，型腔初始温度设置为浇注温度，如图2-18所示。图2-18设置初始条件6Runparameters运行参数设置主要包括General，Thermal，Flow，Stress参数面板的设置，如图2-19。其中General中NSTEP（最大运行步数）设为20000，以保证铸件能够浇注并冷却完毕，Stress中STRESS设为1，即进行应力场计算，其余的为常规设置。轮型铸件充型过程的数值模拟181）General参数设置面板2）Thermal参数设置面板轮型铸件充型过程的数值模拟193）Flow参数设置面板4）Stress参数设置面板图2-19设置PreCAST运行参数轮型铸件充型过程的数值模拟2033算例优化及结果分析算例优化及结果分析本课题中浇注温度、浇注速度及浇注系统冒口尺寸及高度是通过不断模拟优化得到最优方案的，以下将对主要算例进行介绍。3.1冒口尺寸及高度影响的分析对于冒口尺寸的确定，考虑到铸件的体积以及其外缘的壁厚，我们将初始冒口尺寸设计为与壁厚相当的尺寸，并且在不断的充型模拟中对于冒口的尺寸进行改进，最终选择出最合适的尺寸，具体设计过程如下所述。3.1.1设计方案一本浇注系统充型凝固数值模拟的第一个算例中外圆表面冒口尺寸设计为50mm，拉伸高度100mm，内圆冒口尺寸设计为40mm，拉伸高度60mm，三维模型图如图3-1所示。图3-1算例一三维造型铸件建模完成后需要与砂箱完成装配，并进行“型腔”操作，随后将其另存为“.x_t”格式文件，而后导入ProCAST中，在ProCAST中对其进行网格划分和参数设置。对该算例，在PreCAST中浇注温度设置为1300，浇注速度设为0.2ms，计算完成后，我们可以在ViewCAST中很好地观察到充型凝固的情况，轮型铸件充型过程的数值模拟21如图3-2所示将砂箱设为隐藏，对其充型时间，凝固时间，缩松缩孔产生，以及应力场等进行了观察，结果如下：图3-2设置砂箱隐藏（1）充型时间如图3-3所示，其充型时间最长部分为最上层表面处，时间为61.37s，整个充型时间分布很均匀，没有大的不平衡处。图3-3算例一充型时间（2）凝固时间如图3-4所示，其凝固时间最长部分为中间六个圆孔边缘，时间为2611s，外圆边缘凝固时间为1600s左右，说明铸件内部与砂箱接触面积小，散热较慢，轮型铸件充型过程的数值模拟22铸件外部与砂箱接触面积大，散热较快，并且冒口处因为与砂箱接触多，可以看到其凝固时间只有200s左右。图3-4算例一凝固时间（3）应力场如图3-5所示，该铸件凝固完全后应力最大部位在外圆与砂箱接触面，有50MPa左右的应力，其余部位都小于最大应力，满足工作要求，冒口处由于补缩作用，里面大部分都是空心，导致其应力很小。图3-5算例一应力场（4）缩松缩孔分析如图3-6所示，浇注模拟总时长为4402s，在该时刻其铸件已经完全凝固，轮型铸件充型过程的数值模拟23并且可以看到在冒口下部与铸件交接位置，有很多浇注缺陷，通过截面观察，发现铸件加强筋与外缘接触位置有大的缩孔产生，如图3-7所示。图3-6凝固完全图3-7缩孔截面观察通过缩松缩孔分析，我们可以确定该模型极其浇注工艺是不能够成功浇注出合格铸件的，初步分析是由于冒口尺寸太小，不能够起到很好的补缩作用，浇注速度选取的也过于低，从而在加强筋位置出现大部分缩孔。3.1.2设计方案二在算例二中，我们加大了外圆处冒口尺寸到60mm，拉伸高度也加高到195mm，同时为了加快运算速度，减少运算时间，我们采用了如前面所述的半轮型铸件充型过程的数值模拟24型浇注系统模拟，如图3-8所示，考虑到实际浇注时，铸铁液是由高度大约十公分左右的锅炉中倾倒出来进行浇注，所以在PreCAST中我们将浇注速度提高到了1.0ms，浇注温度不变场仍为1300，模拟计算结束后对充型时间，缩松缩孔，进行了观察，结果如下：图3-8算例二三维造型（1）充型时间如图3-9所示，与算例一类似，充型时间最长部分仍在冒口处，但是由于浇注速度提高到了1.0ms，浇注结束时间仅为13.00s，充型时间接近算例一的五分之一，说明充型时间与浇注速度接近为线性关系，整个充型时间分布很均匀，没有大的不平衡处。轮型铸件充型过程的数值模拟25图3-9算例二充型时间（2）缩松缩孔分析如图3-10所示，通过截面观察，我们发现在充型凝固进行到580s左右时，铸件在加强筋的位置的凝固过程中，由于冒口的补缩不足，已经产生了大范围缩孔，可以判定冒口的尺寸还是偏小了，不能很好地起到补缩的作用，于是我们将外圆处冒口尺寸加大到了70mm，同时将内圆处冒口拉伸到195mm高度，但是我们发现缩孔依旧存在，如图3-11所示。图3-10缩孔截面观察图3-11加大冒口后缩孔截面观察轮型铸件充型过程的数值模拟263.1.3设计方案三针对上面情况，我们再次将冒口加大至80mm，浇注模拟得到了很好的结果，在铸件上没有缩孔产生，说明冒口很好地起到了补缩的作用，如下所述。相比算例二，算例三加大了冒口尺寸，其余条件不变，三维造型如图3-12所示。图3-12算例三三维造型我们对其充型时间，凝固时间，缩松缩孔，以及应力场等进行了观察，结果如下：（1）充型时间如图3-13所示，充型时间最长部分为冒口处，时间为15.44s，因为加大了冒口尺寸，充型时间较算例二有所增加。轮型铸件充型过程的数值模拟27图3-13算例三充型时间（2）凝固时间如图3-14所示，铸件凝固时间最大部位位于铸件中心处，为2500s左右，冒口顶部凝固较快，只要400s左右，相较算例一，增大冒口后凝固时间也有所增加。图3-14算例三凝固时间（3）应力场如图3-15所示，浇注口处应力不予考虑，铸件凝固完全后应力最大部位在外圆与砂箱接触面，有60MPa左右的应力，其余部位都小于最大应力，满足工作要求。轮型铸件充型过程的数值模拟28图3-15算例三应力场（4）缩松缩孔分析如图3-16所示，通过截面观察，增大的冒口很好地起到了补缩的作用，铸件内部完好，可以成功浇注出我们需要的铸件。图3-16算例三缩孔截面观察3.23.2浇注温度影响的分析浇注温度影响的分析在上述冒口尺寸及高度的基础上，我们通过改变浇注温度的数值，来研究不同浇注温度对铸件充型凝固过程的影响，上述算例三为1300浇注，因为铸件材料的液相线温度为1148，1300下浇注可能造成夹渣、夹砂、析出性气孔偏多等问题，实际生产中浇注温度需要高一点，因为其出炉温度一般为1450轮型铸件充型过程的数值模拟29左右，可以在13801400浇注，所以我们下面将取浇注温度1380，1400及1450来观察其浇注过程。3.2.11380充型模拟在1380浇注温度下，我们对其充型时间，凝固时间，应力场和缩松缩孔产生进行了观察，如下所述：（1）充型时间如图3-17所示，充型时间最大为15.88s，从浇注口处往下在到冒口位置，时间逐渐增长，与1300时基本相同，所以可以知道此时温度对充型时间没有影响。图3-17充型时间（2）凝固时间如图3-18所示，凝固时间分布比1300浇注温度时高一点，最大时间为2983s，冒口处凝固时间为600s左右，都较1300时多。轮型铸件充型过程的数值模拟30图3-18凝固时间（3）应力场如图3-19所示，该铸件凝固完全后应力最大部位在外圆与砂箱接触面，与1300浇注温度下相似，有60MPa左右的应力，其余部位应力分布较均匀，为40Mpa左右，符合实际工作应力要求。图3-19应力场（4）缩松缩孔分析如图3-20，通过截面观察可以看出相较于1300浇注温度时，1380的冒口补缩作用更加好，也可以减少夹渣、夹砂、析出性气孔偏多等问题，所以1380浇注温度可以更好地发挥冒口的补缩作用。轮型铸件充型过程的数值模拟31图3-20缩孔截面观察3.2.21400充型模拟同样在对以上要素的观察中，如图3-21、3-22、3-23、3-24所示，可以看出1400下浇注与1380下浇注充型时间、缩孔情况大体相同，但是凝固时间变长，应力最大处由60MPa变为100MPa左右，应力过高，不适合实际工作，所以相对于1400，1380的浇注温度要更加好一点。图3-21充型时间轮型铸件充型过程的数值模拟32图3-22凝固时间图3-23应力场轮型铸件充型过程的数值模拟33图3-24缩孔截面观察3.2.31450充型模拟在1450浇注温度下，通过对充型时间，凝固时间，应力场及缩松缩孔情况进行了分析，如图3-25、3-26、3-27、3-28所示，可以看到浇注温度升高对于充型时间没有影响，凝固时间会有所增加，但是相比于1400时100MPa的最大应力，1450时，最大应力降为70MPa左右，同时加强筋位置再次出现缩孔，说明钢水温度过高体膨胀、线膨胀增大，造成冒口补缩不良等缺陷，从而不能浇注出合格的铸件。轮型铸件充型过程的数值模拟34图3-25充型时间图3-26凝固时间轮型铸件充型过程的数值模拟35图3-27应力场图3-28缩孔截面观察通过不同浇注温度下的对比，我们可以得出1300浇注温度下，冒口补缩效果不太好，并且浇注温度低容易产生夹渣、夹砂、析出性气孔偏多等问题；1400浇注温度下，铸件内部应力偏大，不适合实际工作；1450的浇注温度偏高，体膨胀、线膨胀增大，造成冒口补缩不良等缺陷，从而不能浇注出合格的铸件。所以本着在保证充满铸型的前提下，浇注温度低一些更好的原则，并且这样可以缩短铸件的凝固时间，提高效率，另外，浇注温度高，合金液容易吸气，给轮型铸件充型过程的数值模拟36铸件造成气孔等缺陷，我们最终确定最好的浇注温度为1380，这样可以浇注出我们所需要的合格的铸件。3.33.3浇注速度影响的分析浇注速度影响的分析在上述基础上，我们在1380浇注温度下，通过改变浇注速度，来探究不同浇注速度对铸件充型凝固的影响。以上算例都是在1.0ms的浇注速度下完成的，考虑到实际浇注中，锅炉距离浇注口高度和位置的不同，下面我们将在0.5ms和2.0ms的浇注速度下，分别观察铸件的充型凝固过程。3.3.10.5ms浇注速度模拟分析仿照1.0ms浇注速度，我们对其充型时间，凝固时间，应力场和缩松缩孔产生进行了观察，如下：（1）充型时间如图3-29所示，通过对其充型时间的观察，可以看到，相较于1.0ms浇注速度，0.5ms时充型时间接近增加了一倍，说明速度对充型时间的影响是有着正相关的关系的，即浇注速度越高，充型时间也就越快。图3-290.5ms充型时间（2）凝固时间如图3-30所示，其凝固时间比1.0ms浇注速度时要多了400s左右，可以得出在浇注速度快的情况下，铸铁液与周围的砂箱换热更加充分频繁，加速了铸件的冷却，所以浇注速度对于凝固时间有着一定的影响。轮型铸件充型过程的数值模拟37图3-300.5ms凝固时间（3）应力场如图3-31所示，该铸件凝固完全后应力最大部位在外圆与砂箱接触面，有60MPa左右的应力，其余部位应力分布较均匀，为40MPa左右，符合工作要求。图3-31应力场（4）缩松缩孔分析如图3-32所示，在0.5ms浇注速度下，铸件凝固过程中在加强筋位置出现大范围缩孔，与冒口尺寸过小时类似，根据分析，我们得出其原因是由于浇注速度低，且该铸件体积较大，在浇注速度低的情况下，凝固时间变长，液体与型砂之间换热时间变长，而且由于冒口口径较大、高度较高，导致了冒口在浇注完后轮型铸件充型过程的数值模拟38先于铸件内部冷却，没有起到很好的补缩作用，最后使得铸件出现缩孔，因此我们可以得出结论：在0.5ms浇注速度下，不能浇注出合格的铸件，如果浇注速度更低，可能产生浇不足现象。图3-32缩孔截面观察3.3.22.0ms浇注速度模拟分析同样，我们对在2.0ms浇注速度下的铸件充型凝固过程中的充型时间，凝固时间，应力场以及缩松缩孔进行了观察分析。（1）充型时间如图3-33所示，可以看到2.0ms浇注速度下，充型时间接近为1.0ms浇注速度时的两分之一，结合上面的算例可以得出，充型时间与浇注速度成正相关的关系，即浇注速度越高，充型时间也就越快，浇注速度可以直接影响充型时间。轮型铸件充型过程的数值模拟39图3-332.0ms充型时间（2）凝固时间如图3-34所示，可以看到凝固时间最多为2861s，结合上面的0.5ms，和1.0ms可以得出，浇注速度越大，金属液和型砂换热越快，凝固时间越短。图3-342.0ms凝固时间（3）应力场如图3-35所示，该铸件凝固完全后应力最大部位在外圆与砂箱接触面，有60MPa左右的应力，其余部位应力分布较均匀，为40MPa左右，与前面的数据大体相同，符合实际工作应力要求，所以我们可以看出浇注速度对于应力的大小的变化是没有大的影响的。轮型铸件充型过程的数值模拟40图3-35应力场（4）缩松缩孔分析如图3-36所示，可以看到在2ms的浇注速度下，没有缩松缩孔产生，但是在冒口补缩上，1.0ms时，冒口可以更好地起到补缩的作用，而且在2.0ms浇注速度下，容易出现液体紊流，导致出现氧化物夹杂，并且出现气体难以排出等情况。图3-36缩孔截面观察除了以上几个典型速度分析外，为了保证模拟的准确性，我们还在1.5ms和4ms浇注速度下进行了铸件充型凝固的数值模拟，得出的结论与以上三个算轮型铸件充型过程的数值模拟41例相同，所以为了简化论文的篇幅，我们在此就不一一说明了。通过以上不同速度的浇注模拟，我们综合考虑了各个要素后，确定1.0ms的浇注速度为最佳浇注速度，在此浇注速度下，铸件的应力，缩孔情况以及凝固时间等都是最佳的。轮型铸件充型过程的数值模拟424结论结论通过对不同条件下轮型铸件的充型凝固过程的数值模拟，研究了不同条件对于铸件充型凝固的影响，结论如下所述：（1）冒口尺寸及高度对铸件充型凝固过程有着很大的影响，冒口尺寸过小时会导致冒口补缩能力差，不能起到很好的补缩作用，采用大尺寸冒口就可以让冒口起到补偿铸件的液态收缩的作用，但是冒口尺寸过大会导致材料的浪费，并且会使得浇注的充型和凝固时间变长，所以实际生产中需要根据浇注模拟的结果，来选择最合适的冒口尺寸。（2）浇注温度对于铸件充型凝固过程的充型时间是没有影响的，其对于铸件的凝固时间有着正相关的关系，即浇注温度越高，铸件的凝固时间也就变得越长。对于应力场，浇注温度的不同有着很大的影响，在一定范围内浇注温度的变化不会导致应力产生大的变化，然而当超过一定温度，铸件最大应力会产生突变，超过实际工作应力的要求。同样通过对缩孔的分析，可以看到浇注温度过低时，冒口的补缩效果较差，不能很好地对铸件加强筋位置进行补缩，浇注温度升高后，在一定范围内铸件的应力会升高，从而不能在实际工作中正常地运作，对铸件的质量有着很大的影响，然而当温度超过这个范围后，浇注温度的升高会导致铸件在加强筋位置处出现大面积的缩孔，说明铸铁液温度过高的时候，其液体膨胀加大，导致最后凝固收缩时收缩量也加大，从而造成冒口补缩不良等缺陷，而且可能使铸件晶粒粗大、导致机械性能下降，从而不能浇注出合格的铸件。所以合适的浇注温度的选择对于能否浇注出一个合格并且优良的铸件是非常重要的。（3）浇注速度对于铸件充型凝固质量的影响有不同的方面，充型时间与浇注速度有着正相关的关系，即浇注速度越大其充型时间也就越大，所以浇注速度可以直接影响充型时间，另一方面，浇注速度越大，液体和型砂换热越快，凝固时间越短。对于应力场的分析，浇注速度的不同，应力的大小没有特别的差异。在缩孔分析观察方面，我们可以得出在过低的浇注速度下进行充型凝固数值模拟，轮型铸件充型过程的数值模拟43由于浇注速度低，且该铸件体积较大，在浇注速度低的情况下，凝固时间变长，液体与型砂之间换热时间变长，而且由于冒口口径较大、高度较高，导致了冒口在浇注完后先于铸件内部冷却，没有起到很好地补缩作用，最后使得铸件出现缩孔，在更低的浇注速度下，还可能产生浇不足的现象，另一方面，在较高的浇注速度下进行充型凝固数值模拟会容易卷入气泡和夹杂，而且浇注的冲击力过大，不利于平稳地完成浇注过程，容易出现液体紊流，对于冒口的补缩效果也会有所降低。综上所述，冒口尺寸及高度，浇注温度，浇注速度的选择都需要根据具体生产浇注的铸件类型，铸件材料以及铸件实际工作中的要求来确定，过大或过小的参数都会影响到铸件最终充型凝固后的质量。通过对轮型铸件充型凝固过程的数值模拟，我们可以看到ProCAST软件可以很好地对浇注的充型凝固过程中的充型凝固模拟，缩松缩孔预测，凝固过程应力场进行模拟和观察。轮型铸件充型过程的数值模拟44参考文献1王忠王孟冯显磊等.铸造凝固过程数值模拟发展现状研究J.金属加工2014.311:96-98.2李日马军贤崔启玉.铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通M.中国水利水电出版社2010:2-5.3李峰郑福生王刚等.基于ProCAST的叶轮熔模铸造凝固过程数值模拟J.热加工工艺2013.442.7:55-57.4郑志伟陈荣发李志龙等.基于ProCAST等温淬火球墨铸铁车轮浇注系统的改进J.铸造2015.564.5:430-433.5杨海文.汽车铝合金轮毂压铸过程数值模拟及工艺参数优化D.广东工业大学2008.6吴军张剑慈.带轮铸造工艺设计及数值模拟J.机械工程师2014.2:112