开题报告-轮型铸件充型过程的数值模拟.pdf

1毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告课题名称：轮型铸件充型过程的数值模拟学院：机械工程学院专业：机械工程及自动化姓名：魏梦欣_学号：120800120指导教师：白云峰2016年年3月月10日日1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11、背景介绍、背景介绍1.1选题背景及意义铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，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。随着科学技术的发展，计算机数值模拟技术成为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能弥补试验方法的不足，而且对于解决复杂因素的问题也比较简单，使得铸造凝固过程数值模拟受到了广泛的重视。迄今为止，有关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广泛应用1。计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。铸造过程数值模拟可以协助铸造工程师改进工艺设计、提高铸件的质量、缩短产品开发周期、减少制作成本。1.2研究目的通过铸造过程数值模拟可以实现下述目的：1.预知凝固时间以便预测生产率；2.预知开箱时间；3.预测缩孔和缩松；4.预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计；25.控制凝固条件；6.为预测铸件应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。22、研究现状、研究现状2.1国内外研究现状随着科学技术的迅速发展，更多的铸造技术也不断发展起来，突破了传统的铸造方法，目前的铸造技术通常包括砂型、石膏型、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。新的铸造工艺，如低泡沫铸造和半固态铸造（触融成型和触压铸造）也已经发展起来。这些铸造工艺也正在使用数值模拟技术进行模拟仿真，以提高铸造的预测水平。铸造模拟仿真技术在凝固过程模拟、铸造缺陷预测等多方面，经过30多年的不断发展，以充型、凝固、缩孔缩松预测为主的通用铸造宏观和微观模拟技术已经逐渐成熟，并已在生产中取得显著的经济效益及社会效益。铸造数值模拟技术一直是国内外材料数值模拟工作者非常关注的问题，针对铸钢、铸铁及铝合金常用材料的缺陷分析已经做了大量的工作，也大大提高了预测水平。目前，缺陷数值模拟分析技术正沿着宏观和微观组织分析相结合的方向发展，并不断得到完善和引进新的分析技术。目前铸件的凝固过程计算国际上常用的基本方法有：有限差分法FDM、有限元法FEM、直接差分法DFDM、和边界元法BEM。铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程模拟软件的主要功能之一，目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多种判据用于铸件缩松、缩孔的预测，主要有RG判据、温度梯度法、等固相率法、收缩量法四种主要判据，并且除了以上判据，还有等温曲线法、固相率梯度法、压力梯度法、停止流动法等。无论从精度还是从使用范围看，这些缩孔、缩松判据都达到了较高的预测水平，但是仍然存在一些局限性。2.2文献调研目前，主流的铸造数值模拟软件是ProCAST，多数学者通过ProCAST对铸件凝固过程进行数值模拟，以达到优化工艺，分析铸造过程中的缺陷产生位置及其原因，提出后处理方案的目的。通过对大量文献的参阅，对ProCAST的数值模拟发展现状有了很大程度的了解。主要调研文献及其内容综述如下：3铸造模拟软件ProCAST是为评价和优化铸造工艺，而由美国开发的基于有限元技术的专业CAE软件，它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、温度场和应力场进行仿真模拟，优化铸造工艺参数和工艺方案，同时预测缩松缩孔缺陷等2。通过回顾了凝固过程理论描述及数值模拟的发展历史3，以及在此基础上对凝固过程精确理论描述和数值模拟的前景及趋势进行了展望4，铸造工程师针对各种铸造工艺下不同的铸件的铸造凝固过程进行了数值模拟分析，主要包括研究叶轮熔模铸造中浇注温度、浇注速度对铸件有效应力的影响5；观察车轮铸造凝固过程中的温度场和成型缺陷6；调查大型铝合金轮毂低压铸造在热节处产生的缩松、缩孔问题7；分析灰铸铁皮带轮铸造工艺产生缺陷的部位和原因，并提出了后处理方法8；在R12V280机体铸造中借助ProCAST软件对其流动场和温度场进行模拟计算，以获得较完善的铸造工艺，然后采用此铸造工艺进行铸件的试制9；研究TiAl合金叶片的精密铸造中充型过程，凝固过程以及模壳温度对凝固的影响10；研究了高Nb-TiAl合金低压涡轮叶片离心铸造中研究不同离心转速对叶片充型、凝固过程的影响11；在重载车轮挤压铸造中模拟分析了铸造充型过程、凝固过程以及温度场在各时间段的状态，确定了铸件的工艺方法和可能出现的缺陷部位12；通过对发动机进气管砂型铸造模拟，来建立充型凝固过程中的几何模型和有限元模型13；分析了树脂砂铸造马氏体不锈钢叶轮的工艺特点，设计了铸造工艺方案，对设计的工艺进行模拟分析和工艺优化14；另外在V型皮带轮砂型铸造15、浴缸离心铸造16等铸造工艺过程，也通过对模拟结果的观察，最终达到对缩松缩孔、浇不足等缺陷产生的原因的分析，以及对铸造工艺进行改进的目的。对于在铸造系统的设计方面，铸造工程师也在不同浇注系统17和不同冒口高度18下，对铸件浇注过程进行了比较，以及基于凝固模拟过程，对冒口的高度进行了设计及验证19。此外，铸造工程师也可以用ProCAST对浇注过程中的不同位置处热流密度、气隙宽度等变化规律20以及对温度，固相分数21等进行模拟分析，另外，通过对铸件、铸型的温度进行测量，可以利用ProCAST反求计算，得到符合实际的传4热系数22。界面换热系数和型砂热物性参数对凝固过程影响程度的比较，也可以通过ProCAST实现23；对于在铸件凝固过程中温度场的变化，铸造工程师也运用ProCAST进行了模拟24，并且界面热阻对铸件凝固过程温度场的影响25也得到了完善的结论；另外，铸件凝固过程中力学性能的变化通过模拟仿真及其结果分析可以直观地展现在我们的面前26，铸件凝固之后的冷却过程也可以进行观察27。对于通过铸件凝固过程的微观组织结构的观察，在液态金属充型过程的数值模拟28和其冷却过程中对于侧向树突的生长限制29以及镍基高温合金铸件铸件晶组织在凝固中的变化30也可以在ProCAST模拟中得到证实。除了上述主流ProCAST软件在铸造模拟上的应用之外，铸造工程师对于一些特别的方面也进行了探究，例如水下门的铸造方式31以及电磁传输在铝合金铸造上的应用32等多种新兴方向。33、课题研究内容课题研究内容3.1毕业设计课题内容（1）了解课题背景和意义；（2）轮型铸件的性能要求和主要结构；（3）轮型铸件的Solidworks三维建模；（4）ProCAST软件的应用；（5）轮型铸件充型过程的数值模拟。3.2毕业设计课题应完成的工作（1）与课题相关的1万字符以上的英文科技文章翻译；（2）开题报告；（3）与本课题对应的文献综述；（4）铸件三维造型及数据文件导出；（5）研究不同的浇注温度、浇注速度、冷铁大小及位置等工艺因素对铸件充型及凝固过程的影响；（6）模拟结果分析，撰写毕业（设计）论文。44、技术路线、技术路线（1）铸造成型基础知识；5（2）数值模拟基础知识；（3）Solidworks三维造型软件运用；（4）ProCAST软件运用；（5）ORIGIN绘图软件运用。55、关键技术介绍、关键技术介绍5.1Solidworks1.Solidworks软件的介绍Solidworks是由美国Solidworks公司推出的功能强大的三维机械设计软件系统，自1995年问世以来，以其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立饿其市场地位，成为三维机械设计软件的标准33。2.Solidworks软件各主要模块Solidworks是一个大型软件包，由多个功能模块组成，每一个功能模块都有自己独立的功能。Solidworks主要有草图绘制、零件设计、装配模块、工程图模块、钣金设计、模具设计、运动仿真等主要模块。3.Solidworks建模一般过程Solidworks系统在绝大多数三维实体建模的过程中，均是首先从而为草图开始，绘制出二维草绘截面几何图形后，通过对草图截面的不同操作来生成三维实体。例如，将草绘截面沿法向拉伸一段距离即可生成拉伸实体特征，将草绘截面沿指定曲线做扫描运动即可生成扫描实体特征，将草图截面沿指定的中心轴线旋转则可以生成旋转实体特征。因此，按照对二维草绘截面的不同操作方式，Solidworks创建三维实体特征的主要方法有拉伸实体特征、旋转实体特征、扫描实体特征、混合实体特征等。Solidworks系统可以在零件上创建多种特征，包括实体特征、曲面特征以及其他种类的具体应用特征等。Solidworks零件建模的实质是创建实体特征和一些用户定义的特征。其中有些特征可以通过添加材料的方式创建，有些特征则是可以通过去除材料的方式创建。利用Solidworks建模首先要从整体研究将要建模的零件，分析其特征组成，6明确不同特征之间的关系和内在联系，确定零件特征的创建顺序在此基础上进行建模、添加工程特征。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Solidworks建模的一般过程如下：(1)建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时，都要利用基准特征作为参照；(2)建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等；(3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；(4)特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；(5)添加材质和渲染处理。5.2ProCAST1.ProCAST软件的介绍ProCAST软件是由法国ESI公司开发的铸造过程的模拟软件采用基于有限元(FEM)的数值计算和综合求解的方法对铸件充型、凝固和冷却过程等提供模拟，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，吹芯工艺，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺34。2.适用范围ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造、高压铸造、低压铸造、重力铸造、倾斜浇铸、熔模铸造、壳型铸造、挤压铸造、触变铸造、触变成形、流变铸造。由于采用了标准化、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包ProCAST进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明，ProCAST可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。3.材料数据库和模拟分析能力ProCAST可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发及可重复性。ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题，为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程，使他们有机7会看到型腔内所发生的一切，从而产生新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中显示，这样对比较复杂的铸造过程能够通过网际网络进行讨论和研究。4.分析模块ProCAST是针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统。它主要由8个模块组成：有限元网格划分MeshCAST基本模块、传热分析及前后处理(BaseLicense)、流动分析(Fluidflow)、应力分析(Stress)、热辐射分析(Radiation)、显微组织分析(Micromodel)、电磁感应分析(Electromagnetics)、反向求解(Inverse)，这些模块既可以一起使用，也可以根据用户需要有选择地使用。对于普通用户，ProCAST应有基本模块、流动分析模块、应力分析模块和网格划分模块。66、要解决的技术问题、要解决的技术问题（1）了解轮型铸件的结构，仿照其结构在Solidworks上进行轮型铸件铸造系统三维造型；（2）对铸造系统模具的选用；（3）导出三维造型的数据文件至ProCAST中；（4）在ProCAST中设定不同的工艺参数，对该铸件的充型和凝固过程进行数值模拟；（5）模拟结果分析。77、日程安排、日程安排序序号号设计（论文）各阶段名称设计（论文）各阶段名称日日期期1确认任务书，确定要翻译的英文文章2015年12月15日2015年12月18日2文献资料收集、整理，撰写开题报告与文献综述，英文文章翻译2015年12月19日2016年3月7日3运用Solidworks进行轮形铸件铸造系统建模，数据文件导出2016年3月8日2016年3月31日4用ProCAST对轮形铸件不同工艺参数下的凝固过程进行数值模拟2016年4月1日2016年4月10日5模拟结果分析，完成论文2016年4月11日2016年5月10日6准备答辩2016年5月11日2016年5月16日888、参考文献参考文献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张红松张希俊张方铸造过程计算机数值模拟的国内外研究概况J.昆明理工大学学报（理工版）2003.428.2:55-58.3D.M.StefanescuSolidificationandmodelingofcastironAshorthistoryofthedefiningmomentsJMaterialsScienceandEngineering2005413-414:322-3334黄卫东王猛凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势J.中国科学201459.10:845-853.5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2013.442.7:55-57.6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2015.564.5:430-433.7王志坚赵岩宋鸿武等大型铝合金轮毂低压铸造过程数值模拟及工艺优化J计算机应用技术-特种铸造及有色合金201434.3:256-259.8吴军张剑慈带轮铸造工艺设计及数值模拟J机械工程师20142:112-113.9胡华林浦永康王建荣基于ProCAST的R12V280机体铸造工艺设计J，中国铸造装备与技术2015.112.4:12-15.10汪军基于ProCAST的TiAl合金叶片精铸数值模拟J铸造技术2015.5，36.3:706-708.11杨亮姚谦张来启等.基于ProCAST的高Nb-TiAl低压涡轮叶片离心铸造数值模拟J铸造技术2014.1235.1254-57.12陈玖新代颖辉张川吉等.基于ProCAST的挤压铸造重载车轮铸件成型过程数值模拟J.铸造2015.764.7:53-55.13朱勇龚伟白朝中等.基于ProCAST的进气管砂型铸造的充型凝固数值模拟J.铸造技术2014.835.8:1859-1862.14黄宏军曹阳王好强等.马氏体不锈钢叶轮铸造工艺设计与优化J.铸造，2015.464.4:317-320.15王成军韩董董陈蕾等.基于ProCAST的砂型铸造的V型皮带轮的工艺优化9J.热加工工艺2014.943.1767-69.16S.Li.LuF.R.XiaoS.J.ZhangSimulationstudyonthecentrifugalcastingwet-typecylinderlinerbasedonProCASTJAppliedThermalEngineering201473:512-521.17范晓明王志龙志平等.基于ProCAST的叶轮铸件铸造工艺优化J.中国铸造装备与技术2014.411.3:11-13.18代颖辉储秀欣基于ProCAST的汽车车轮铝合金轮辐模具设计J.铸造2014.563.5:476-478.19徐亚东沈厚发韩非.基于凝固模拟的冒口高度设计及验证J.热加工工艺2015.54.9165-172.20兰鹏张家泉大钢锭凝固界面换热系数的数值模拟J钢铁研究学报，2014.826.8:29-36.21G.W.ZhaoaX.Z.Li.D.M.XuaJ.J.Guo.Numericalcomputationsfortemperaturefractionofsolidphaseandcompositioncouplingsinternaryalloysolidificationwiththreedifferentthermodynamicdata-acquisitionsJCALPHAD:ComputerCouplingofPhaseDiagramsandThermochemistry201236:155162.22李高峰黄引平马敏团.界面传热系数的反求计算J.热加工技术2014，43.2392-94.23李日冯传宁.界面换热系数和型砂热物性参数对凝固过程影响程度的比较J.铸造技术2015.236.2:389-393.24郭可敬张云鹏梁冰利.球铁磨球凝固过程温度场的数值模拟J.计算机应用技术-特种铸造及有色合金201434.4:375-377.25袁训锋胡瑞霞李英等.界面热阻对铸件凝固过程温度场的影响J.铸造技术2015.736.71784-1788.26P.LanJ.Q.ZhangStudyonthemechanicalbehaviorsofgreyironmouldbysimulationandexperimentJMaterialsandDesign201453:822829.27J.W.KangX.K.HaoG.NieIntensiverisercoolingofcastingsaftersolidificatio