（机械制造及其自动化专业论文）铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究.pdf

独创性声明 i r l i l f llrrllfllrllll llrr l ( r l lfrrlff 18 8 0 8 0 5 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：刎日期：竺! ! ：垄争 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 衫三) ：夕闭阳导师( 签名) ：影酝堋日期。驴，j 雄 掌 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 铸造是应用最为广泛的材料成型工艺之一，在国民经济中占有重要地位， 当今传统的铸造工艺已跟不上知识经济发展的步伐。计算机模拟技术介入铸造 技术标志着铸造业由传统走向现代化。凝固过程是铸造过程的重要一环，对铸 件表面及内部质量有着决定性的影响。本文通过研究凝固传热过程定量分析理 论，建立传热过程的数学模型，并开发具有独立计算功能的传热模拟计算程序， 预测铸件生产过程中可能出现的缺陷及部位，从而为优化铸造工艺过程提供理 论指导。实践证明，本文的研究内容具有重要的科学价值和现实意义。 本文在深入研究金属凝固传热学的基础上，建立了凝固过程传热微分方程 数学模型。总结求解微分方程的各种数值算法，并分析影响凝固传热的各边界 条件，采用有限差分法对数学模型在时间及空间上进行离散化，建立了具有定 解条件的差分方程。针对不同材料传热特性不同的问题，建立对应铸件一铸型 边界模型，并采用一个综合传热系数来表达边界处的传热特点。采用温度回复 法解决小结晶区间合金的潜热释放问题，对于具有一定结晶区间的合金则采用 等价比热法进行处理，充分发挥两种方法的优点，提高计算的准确度。对凝固 潜热的释放模式进行研究，确定采用潜热释放与温度变化呈线性关系的模式进 行近似计算。同时，在用等价比热法处理潜热问题时，分六种情况对可能的计 算结果进行讨论，并根据能量平衡原理，对计算结果进行修正，提高了处于凝 固区间网格传热计算的精度。 程序开发部分，本文采用面向对象编程技术，以m i c r o s o t tv c + + 6 o 为开发 平台，独立开发了凝固温度场计算功能模块，实现数学模型求解的程序化。通 过开发相应的接口程序，将各功能模块与主程序动态链接，减小主程序文件尺 寸，提高了程序运行的效率。通过开发文件数据读入接口，实现了三维造型软 件与本程序的数据连通，进而实现软件三维模型显示、网格剖分、凝固传热模 拟计算及计算结果显示等一整套数值模拟过程。软件界面简洁易用，程序设计 结构严谨、可读性及可扩展性良好。 最后，将所开发模拟程序用于零件模型的传热过程模拟，分析计算结果并 与成熟模拟软件a n y c a s t i n g 的模拟结果做对比，结果表明两者的计算结果基本 一致，验证了所开发模拟模块计算的准确性。 关键词：凝固，温度场，数值模拟，潜热，边界条件 l i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a s t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y ，i s o n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dm a t e r i a lm o l d i n gm e t h o d b u t ，t o d a yt h et r a d i t i o n a l c a s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nt h e c a l ln o tk e e pu pw i t ht h ep a c eo ft h ed e v e l o p m e n to f k n o w l e d g e b a s e de c o n o m y c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e si n v o l v e d i nf o u n d r y m a r k st h i st r a d i t i o n a li n d u s t r yf a c et om o d e r n i z a t i o n s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，w h i c hi s a ni m p o r t a n tp a r to ft h ec a s t i n gp r o c e s s ，h a sad e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h ew h e t h e r s u r f a c eo ri n t e r n a lq u a l i t yo fc a s t i n g i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e s o l i d i f i c a t i o nh e a tt r a n s f e rt h e o r y , am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e rp r o c e s si s e s t a b l i s h e da n dap r o g r a mm o d u l e 、 ，i t hi n d e p e n d e n tc a c u l a t i o nf u n c t i o ni s d e v e l o p p e d ，s oa st of o r e c a s tt h ep o s s i b l ed e f e c t so fc a s t i n gi ni t sp r o d u c i n gp r o c e s s a n do p t i m i z et h ec a s t i n gp r o c e s si no r d e rt og i v et h e o r e t i c a ld i r e c t i o n st oo p t i m i z et h e c a s t i n gp r o c e s s i ti sp r o v e dt h a tt h ec o n t e n tr e s e a r c h e di nt h i sp a p e rh a si m p o r t a n t p r a c t i c a la n ds c i e n t i f i cv a l u e m a k i n gq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ns o l i d i f i c a t i o nh e a tt r a n s f e rp r o c e s s ，b a s i n go n t h ei n - d e p t hs t u d yo fm e t a ls o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rt h e o r y , t h ep a p e rh a s e s t a b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e li nt h ef o r mo fd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t h e n , t h r o u g h s u m m a r y i n gav a r i e t yo fn u m e r i c a la l g o r i t h m so ns o l v i n gd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n d a n a l y s i n gt h ef a c t o r st h a th a si m p a c to nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ，e s t a b l i s h e dt h e d i f f e r e n t i a le q u a t i o n sw h i c hh a sd e f i n i t es o l u t i o nb yu s i n gf i n i t ed i f e r e n c em e t h o dt o m a k et h em o d e ld i s c r e t i z a t i o ni ns p a c ea n dt i m ed o m a i n t h ep a p e ra d o p t e da n i n t e g r a t e dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tt os o l v et h eh e a tt r a n s f e rp r o b l e mo nt h eb o u n d a r y o fd i f f e r e n tm a t e r i a l s w h i c hh a v ed i f f e r e n th e a tt r a n s f e rc o e 伍c i e n t c h a r a c t e r i s t i c s u s i n gt h et e m p e r a t u r er e c o v e r ym e h t o dt os e t t l et h ep r o b l e mo fl a t e n t h e a tr e a l e a s eo ft h em a t e r i a lw h i c hh a san a r r o wc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ea n d t h e e q u a l l ys p e c i f i c h e a tm e t h o dt ot h em a t e r i a lw i t ht h ew i d ec r y s t a l l i z a t i o n t e m p e r a t u r er a n g e ，i no r d e rt op l a yt ot h ea d v a n t a g e so fb o t hm e t h o d sa n di m p r o v e a c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n r e a s e r c h i n go nt h em o d e o fl a t e n th e a tr e a l e a s e ，c h a n g i n g r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a tr e l e a s ea n dt e m p e r a t u r e i sd e t e r m i n e dt ob el i n e a r m o d e m e a n w h i l e ，s i xp o s s i b l ec a s e sa l ed i s c u s s i o n e dw h e nu s i n gt h ee q u a l l ys p e c i f i c u 武汉理工大学硕士学位论文 h e a tm e t h o dt os e t t l et h ep r o b l e mo fl a t e n th e a tr e a l e a s ea n dt h ec a c u l a t e dr e s u l t sa r e m o d i f i e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe n e r g yb a l a n c e ，s ot h a t ，t h ea c c u r a c yo ft h e c a l c u l a t i o ni si m p r o v e d i nt h ep a r to fp r o g r a md e v e l o p m e n t ，、) v i mm i c r o s o f tv c + + 6 0a sd e v e l o p m e n t p l a t f o r m ，o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi su s e dt od e v e l o pt h ec a l c u l a t i o n m o d u l eo fs o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r ef i e l di n d e p e n d e n t l y , a n dt h ep r o g r a m m i n go f t h em a t h e m a t i c a lm o d e li s i m p l e m e n t e d b yd e v e l o p i n gt h ea p p r o p r i a t ei n t e r f a c e p r o g r a m ，e a c ho ft h ef u n c t i o n a l m o d u l e si sd y n a m i c a l l yl i n k e dt ot h em a i n p r o g r a m ，s o ，t h em a i np r o g r a mf i l es i z ei sr e d u c e da n dt h er u n n i n ge f f i c i e n c yo ft h e p r o g r a mi si m p r o v e d b yd e v e l o p i n gt h ef i l ed a t ar e a d i n gp r o g r a m ，d a t ac o n n e c t i v i t y b e t w e e nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r ea n dt h i ss o f h t a r ec o m et r u e ，t h e n , a s e to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i n c l u d i n gs h o w so ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l 、m e s h g e n e r a t i o n 、s o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rc a l c u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s d i s p l a ya r ei m p l e m e n t e d f i n a l l y , t h ei n t e r f a c eo ft h es o t t w a r ei ss i m p l ea n de a s i l y u s e d ，t h ep r o g r a m m i n gi ss t r u c t u r e dd e s i g n 晰t l lg o o de x p e n s i b i l i t ya n dr e a d a b i l i t y i nt h el a s t ，u s i n gt h es o f u w a r et os i m u l a t et h eh e a t - t r a n s f e rp r o c e s so ft h ep a r t s m o d e l ，c o m p a r i n gt h er e s u l t s 诵t ht h eo n eo fa n y c a s t i n g ，i ts h o w st h a tt h er e s u l to f o u rs o f t w a r ec o n s i s t e n t s 晰mt h er e s u l to fa n y c a s t i n g ，s ot h a t t h ec a l c u l a t i o n a c c u r a c yo f t h es i m u l a t i o nm o d u l ei sv a l i d a t e d k e y w o r d s ：s o l i d i f i c a t i o n , t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , l a t e n th e 戤 b o u n d a r yc o n d i t i o n i i l 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 目录 i i i 1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 铸造业概述l 1 1 2 研究背景2 1 1 3 研究意义3 1 2 铸造凝固过程数值模拟技术研究内容4 1 2 1 凝固温度场数值模拟4 1 2 2 凝固热应力数值模拟一4 1 2 3 充型过程数值模拟一5 1 2 4 微观组织数值模拟一5 1 3 凝固过程数值模拟国内外发展概况6 1 4 课题选题依据一8 1 5 课题研究内容8 第2 章凝固传热学基础及数值计算方法 1 0 2 1 导热过程基本概念10 2 1 1 温度场和温度梯度1o 2 1 2 传热物理量1 1 2 2 铸造凝固过程传热学基础13 2 2 1 传热学基本理论1 3 2 2 2 传热的基本方式1 4 2 2 3 热传导微分方程1 6 2 3 热传导解析数值计算方法1 6 2 3 1 有限差分法1 6 2 3 2 直接差分法1 7 2 3 3 有限元法1 8 2 3 4 边界单元法18 2 4 有限差分理论19 2 4 1 直接代换法建立差分方程19 2 4 2 能量平衡法建立差分方程l9 i v l f 武汉理工大学硕士学位论文 2 5 导热问题数值解法的基本思想2 0 第3 章凝固过程温度场数值模拟 3 1 实际金属凝固传热特点2 2 3 2 单值性条件2 4 3 2 1 几何条件2 4 3 2 2 物性条件2 4 3 2 3 初始条件2 5 3 2 4 边界条件2 5 3 3 铸件铸型综合界面传热系数2 7 3 4 凝固传热微分方程2 9 3 5 微分方程离散化一31 3 5 1 离散网格的选择3 2 3 5 2 数值解法选择3 2 3 5 - 3 差分法求解微分方程组一3 3 3 5 4 差分求解稳定性3 6 3 6 凝固潜热处理3 7 3 6 1 潜热释放的凝固微分方程3 8 3 6 2 潜热释放模式4 0 3 6 3 常用潜热处理方法4 1 3 6 4 潜热处理方法选择4 5 第4 章凝固温度场数值模拟程序设计 4 7 4 1 程序实现语言及工具4 8 4 2 软件的文件接口4 9 4 3 凝固温度场模拟计算模块程序实现51 4 3 1 温度场模拟过程流程图5 1 4 3 2 模拟过程影响因素分析5 2 4 3 3 物理参数设置对话框程序设计5 4 4 3 4 文件读入接口程序设计5 7 4 3 5 定义铸型并设置材料属性6 0 4 3 6 网格剖分程序设计6 0 4 3 7 计算条件设置对话框设计6 2 4 3 8 计算中心主程序设计6 3 4 3 9 数据结果保存程序设计6 6 4 4 软件框架6 7 第5 章软件应用与程序验证。 v 7 0 i 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 模拟对象7 0 5 2 物理参数准备7 1 5 3 应用软件模拟解析7 1 5 3 1 加载文件数据7 1 5 3 2 设置材料物理参数7 2 5 3 3 设置铸型尺寸7 3 5 3 4 网格剖分7 4 5 3 5 设置凝固计算条件7 5 5 3 6 分析计算7 5 5 4 模拟结果分析7 6 第6 章总结与展望 致谢。 参考文献 8 1 攻读硕士期间发表论文8 4 v i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 铸造是历史最为悠久的一种金属成型方法，在我国是具有六千多年悠久历 史的传统产业，至今仍是制造业重要的组成部分，对国民经济的发展起着举足 轻重的作用。在经济全球化的大背景下，国内外市场竞争日益激烈，铸造业同 样面临着新技术革命的挑战，传统产业的高新技术化成为必然的发展趋势。计 算机技术的飞速发展使其越来越广泛的应用于工业生产的各行各业，同时也为传 统铸造业带来了新的发展方向，铸造工艺过程的计算机数值模拟技术应运而生。 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 铸造业概述 铸造又称为液态金属成型，通常是指用熔融的合金材料制作产品的方法， 将液态合金注入预先制备好的铸型中使之冷却、凝固而获得毛坯或零件【l j l 2 j 。充 填铸型和冷却凝固是铸造工艺两个基本过程。 铸造业是我国装备制造基础行业之一，是目前应用最广泛的金属加工技术。 铸造生产具有的适用范围广、材料来源广、成本低廉、经济性好等独到优点是 其他诸多材料成型方法所不能比拟的。因此，铸造在国民经济中占有极其重要 的地位，是机械工业中毛坯和机械零件的主要供应者。铸件在一般机器中占总 质量的4 0 8 0 ；内燃机的关键零件都是铸件，占总质量的7 0 一9 0 ；汽车中 铸件质量占1 9 0 旷2 3 ；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中铸件质量占 6 5 0 0 - 8 5 ；农业机械中铸件质量占4 0 - - , 7 0 。此外，在矿冶( 钢、铁、非铁合 金) 、能源( 火、水、核电等) 、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中， 铸件都占很大比重并起着重要作用【3 j 【4 j 。 作为一个最基础的行业，在其漫长的发展史中，铸造技术不断的变革进步， 各种铸造新工艺不断涌现，铸件质量及性能也在不断提高，在世界范围内出现 了“以铸代锻 的趋势。当今发达的工业国，铸造技术已经走向机械化、自动 化、计算机控制、机器操作的时代，产品质量好、生产效率高、环境污染少、原 辅材料已形成商品化系列化供应，生产附加值高的优质金属零件比重越来越高。 i i 武汉理工大学硕士学位论文 在技术经济为特征的时代，铸造行业也在不断吸收电子、信息、材料、能 源、现代化管理等高新技术成果，正在并将继续在以下若干方面取得发展1 5 - 1 8 】： 1 ) 大力发展数值模拟、物理模拟及专家系统，使铸造技术由经验模式转向 定量分析模式： 2 ) 以强韧化、精密化、高效化、轻量化为目标，大力开展铸造新材料、新 技术的研究； 3 ) 开展铸造过程自动化、柔性生产单元和系统集成制造的研究，提高产品 质量及生产效率，增强产品的市场竞争力； 4 ) 发展绿色集约化制造，减小铸造对环境的污染程度； 5 ) 极大、极小、极精密等极端条件下的铸造成为铸造技术发展的重要领域。 1 1 2 研究背景 改革开放以来，我国铸造业取得了长足的发展，铸件产量自2 0 0 0 年起已经 连续多年居世界第一，其中2 0 0 8 年我国铸件年产量已经达到2 6 6 0 万吨，占全 球总产量的2 9 5 ，铸件的产量品种，都已处于世界前列。目前全国铸造企业约 有2 4 0 0 0 家、从业人员1 2 0 多万，所有这些表明我国已经成为名副其实的铸造 大国。 我国虽然是铸造大国，但远不是铸造强国。一直以来，国内许多高、精、 尖的铸件都要依靠进口，本国产品大多数属附加值低的中低端产品，在铸造工 艺水平上我国与发达国家相比也有较大的差距。国内铸件产量的高速增长很大 程度上是以较高的资源及能源消耗为代价，且环境污染较为严重。国内铸造业 面临着诸多现实问题： 1 ) 资源、能源耗费大，浪费现象较严重，污染严重； 2 ) 传统铸造业产品生产成本高、开发周期长、产品质量不稳定，已不能适 应知识经济下的全球化激烈竞争； 3 )缺乏理论技术的指导，未能摆脱依靠传统经验及反复试错的生产方法； 4 ) 熟练技术工人高龄化及年轻技术人员与生产实践的脱离导致铸造技术 及经验的传承出现断层趋势。 而目前最主要的问题是长期以来，铸造业都存在着废品率较高的难题，在 我国，普通铸铁的废品率越7 左右，复杂件、高档件废品率达到1 0 , - , 1 5 。 铸造缺陷是造成废品的主要原因，而影响铸件质量的因素很多，不仅与铸 2 i jr 、。 。 b 武汉理工大学硕士学位论文 造工艺有关，还与铸型材料、铸造合金材料、熔炼、浇注等过程密切相关。如 在合金液充型的过程中工艺参数控制不合理容易出现卷气、夹渣、冷隔、浇不 足等缺陷；在凝固收缩过程中容易出现缩孔、缩松以及元素再分配造成偏析； 冷却过程中造成铸件的裂纹和变形。同时，大部分铸造工艺形成的铸件存在着 组织不均匀、致密性差、内部晶粒粗大等问题。 铸造业所面临的这些难题有其本身理论研究上的困难性1 7 。铸造本身是一个 比较复杂的工艺过程，铸造合金液以很高的温度充入型腔并进行凝固，同时伴 随着复杂的物理和化学变化，而这一过称一般是难以直接观察的，而这一过称 一般是难以直接观察的，长期以来人们只能通过建立在大量试验基础上的经验 准则对充型凝固过程加以把握和控制。因此，控制铸件的质量在一定程度上是 相当困难的。 随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助工程已经介入这一古老的而又落 后的工艺过程中，使铸造行业不断从繁重的体力劳动、传统作业中解放出来， 受到国内外学者的广泛关注，已经成为国际上公认的用电子计算机等高新技术 拓宽和促进铸造学科向前发展的学科前沿领域。部分研究成果已经进入工程实 用化阶段，标志着铸造生产正在由经验走向科学理论的指导。 1 1 3 研究意义 铸造过程数值模拟包括宏观的充型过程数值模拟、凝固过程造型仿真、凝 固过程温度场和应力场的模拟以及微观上组织模拟等。凝固过程是决定铸件质 量的一个关键过程，各种铸造缺陷如缩孔、缩松、裂纹、变形等产生于这一过 程或与之密切相关，而铸件凝固过程数值模拟也是计算机在铸造生产中应用的 最核心内容【引。 凝固过程的计算机数值模拟可以使铸造工作者利用计算机制作虚拟铸件， 并且可以很方便的利用已经相对成熟的实验数据修改铸件的相关工艺参数，根 据接近实际情况的原始数据，利用建立的数学模型，对与充型过程中金属流动 及凝固过程中金属的传热、传质及相变等相关的变量进行计算。通过对凝固过 程温度场的计算结果进行分析，确定铸件最后凝固部位，进而对可能出现的缩 孔、缩松等缺陷进行预测；通过对应力场计算结果的分析，判断铸件冷却脱模 后可能发生的形交、产生热裂或冷裂的倾向及可能发生的位置。这样，在实际 铸造之前，利用计算机通过对工艺过程中各种场变量的定量分析，帮助铸造工 。 q 武汉理工大学硕士学位论文 艺师对可能出现的铸造缺陷及位置进行预测，从而有目的的调整工艺方案，优 化工艺参数，确保工艺过程的成功率，进而保证铸件质量，缩短生产周期，降 低生产成本，提高经济效益【9 】l 1 1j 。 综上所述，对凝固过程数值模拟技术的研究具有重大的科学价值及实用价 值，符合只是经济下市场竞争的需求，符合铸造业的发展趋势，是改造传统铸 造业的必由之路，对我国赶超国际先进铸造技术水平具有重大现实意义。 1 2 铸造凝固过程数值模拟技术研究内容 1 2 - 2 5 凝固过程计算机数值模拟技术从内容上讲主要包括充型过程数值模拟、凝 固过程造型仿真、凝固过程温度场和应力场的模拟以及微观上组织模拟等。而 所有这些内容并不是同步发展的。经过各国科研数十年的努力，从基础研究阶 段到预测研究阶段，再到优化研究，取得了巨大的进步，部分研究成果已应用 于工程实践并取得了良好的经济效益。总体来讲，充型阶段的模拟要晚于凝固 阶段的模拟工作，特别是凝固温度场的模拟技术已比较成熟。 1 2 1 凝固温度场数值模拟 温度场的数值模拟技术在整个凝固过程数值模拟中是最早开始的，也是目 前最成熟的部分，模拟结果与实际相当吻合。2 0 世纪4 0 年代，哥伦比亚大学教 授p a s c h k i s 就开始利用大型模拟计算机对凝固过程进行研究。1 9 6 2 年，丹麦科 学家f o r s u n d 首先利用计算机对凝固过程进行传热计算，当时所使用的有限差分 解析方法的计算结果与实测结果相当接近。直到今天，有限差分法都是研究数 值模拟技术的重要方法。此后，多国研究人员都相继开展了对凝固温度场数值 模拟相关理论的研究并取得了一系列的研究成果。九十年代以后，各国都相继 开发出了用于模拟的系列软件，在对铸造工艺过程的控制方面发挥着积极作用。 目前温度场模拟仍然存在一些问题：材料的热物性参数的处理上不是很完 善；凝固出现缝隙时的热阻、边界条件的处理以及计算条件的重置问题有待进 一步完善等。 1 2 2 凝固热应力数值模拟 随着热分析理论的逐步成熟，凝固应力场数值模拟在近几十年得到了快速 4 武汉理工大学硕士学位论文 发展，主要集中在残余变形及残余应力等方面的研究。其在国内外的发展主要 经历了自主编程、采用已有的有限元分析软件及铸造凝固模拟专业软件三个阶 段。国内的研究基本上处于第二阶段，大连理工大学率先进行了铸件和连铸坯 的应力场分析。应力场分析的数学模型主要有弹性模型、弹性一蠕变模型、热 弹性模型等。 应力场的数值模拟整体上还处于初步研究阶段，理论上还存在诸多问题待 解决：解析方法比较单一，基本上都是有限元的方法进行分析判断；实验数据 不足，模拟结果验证依据不足；国内计算方法简单，计算精度有待提高，实际 应用中主要依赖国外分析软件如a n s y s 等。 1 2 3 充型过程数值模拟 充型过程的数值模拟相对凝固温度场的模拟要复杂的多。合金液充填铸型 是一个复杂的瞬态过程，同时伴随着复杂的物理及化学变化。许多浇注缺陷如 卷气、冷隔、浇不足、夹杂甚至于凝固过程缩孔的产生都与充型过程相关。通 过对充型过程数值模拟技术的研究来分析充型工艺过程中的液体流动状态，从 而有目的的对工艺过程进行优化是非常必要的。 充型过程的数值模拟模型的建立多是以遵循动量方程、能量方程以及连续 性方程为基础。对充型过程不断研究的过程中，已经出现了s i m p l e 算法、m a c 算法、守恒标量法、s o l a v o f 算法、s o l a m a c 算法以及格子气模型法等多 种解析方法。其中以加利福尼亚大学l o sa l g o r i t h m 实验室发展的s o l a - v o f 法 应用最为广泛。用s o l a 法求解动量方程和连续性方程，用v o f 法处理流场自 由表面问题，并在温度场与流场的耦合计算方法上进行了改进，不断提高模拟 的准确度和效率。 a 1 2 4 微观组织数值模拟 与应力场数值模拟一样，微观组织数值模拟的研究也不成熟，是目前凝固 过程数值模拟的热点和难点。通过模拟凝固过程各时刻的流场和温度场，最终 获得固液相界面在时间和空间上的描述，进而分析金属组织微观晶粒的特性， 依此控制并优化铸件的组织分布及机械性能，从而改进铸件的力学性能和工艺 性能。将金属的凝固过程中的形核、晶粒长大和溶质扩散等结晶机理引入凝固 过程模拟，通过将形核模型、生长模型及其影响因素与传热方程进行耦合计算， 5 咚 武汉理工大学硕士学位论文 建立较为精确的微宏观模型在毫米、微米、纳米三个层次上进行组织模拟。 微观组织的模拟技术经理了三个发展阶段：确定性方法，概率论方法和相 场方法，经历了从定性模拟到半定量模拟到定量模拟的过程。目前存在的主要 问题是难以建立个较为完善的数学模型，相关特征参数的选取也主要依赖经 验公式；影响铸件结晶的因素很多，模型中很难充分考虑进去；在解析数值解 法的计算正确性及精度上也难于保证。 。 一。 一 ： 1 3 凝固过程数值模拟国内外发展概况 2 6 - 3 6 1 金属凝固数值模拟技术是与计算机技术同步发展的。早在2 0 世纪5 0 年代， 国外就开始了对凝固模拟的研究，局限于当时的数学分析及计算条件，模拟只 能在高度简化的数学模型上进行，实用价值不大。到了6 0 年代，随着计算机技 术的发展，基于复杂砂型和连铸的流体流动和凝固模拟有了较多研究，丹麦人 f o r s u n d 将有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算，开辟了用计算机数 值计算法进行凝固理论研究的新途径。进入7 0 年代，以大中逸雄新山英辅为 代表的日本铸造界对凝固过程的数值模拟逐渐活跃起来，数学分析方法也开始 多样化，大中逸雄提出了直接差分的数学方法，简化了计算的难度并提供了一 种通向三维的可行方法。到了8 0 年代，世界各国的研究掀起了凝固过程数值模 拟在铸造界的热潮。进入9 0 年代，模拟技术的发展已日臻成熟，经过3 0 多年 的努力，世界各地已经开发出一系列用于铸造模拟的软件并用于工程实用，在 预测铸造缺陷，优化铸造工艺等方面发挥重要作用。 纵观凝固过程数值模拟技术的发展历史，大致可以分为三个阶段： 第一阶段：尝试性研究阶段。6 0 年代到7 0 年代，以传热学的基本原理为出 发点，从宏观尺度开展了对铸造的凝固过程模拟的研究工作。 第二阶段：基础研究阶段。7 0 年代到8 0 年代，各国相继开展了基于实际问 题的试验性研究，在考虑传热的基础上加入凝固动力学因素，从微观尺度模拟 液固现象，大大提高了缺陷预测的科学性。 第三阶段：工程实用化阶段。8 0 年代以后，研究工作不断深入，理论不断 完善，各种模拟软件相继问世并与实际生产相结合，迈入了实用阶段。 从7 0 年代末开始，我国的一些科研单位及高等院校如沈阳铸造研究所、清 华大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学等相继开展了凝固过程数值模拟的研 究工作，并得到迅速发展。在学术理论如凝固过程三维温度场、应力场模拟的 6 毽 武汉理工大学硕士学位论文 数学计算模型及求解方法等方面，进行了大量细致的研究，取得的研究成果并 不比世界先进水平落后，但在软件开发及实际普及应用方面与发达国家还存在 较大差距。 进入2 1 世纪以来，随着铸造过程数值模拟技术的发展，国内外涌现出了一 批适用于不同铸造条件下的模拟软件并用于实际生产实践中去，取得了较好的 经济效益1 2 5 1 - 2 7 _ 这些软件不但能够实现凝固过程的数值模拟，还能够实现充型 过程的模拟过程。比较成功的商业化模拟软件有美国的a f s o i d 、f l o w - 3 d 、 p r 0 c a s t 、s i m t e c ，德国的m a g m a ，日本的j s c a s t 、s o l i a ，法国的s 肼u l o r 、 瑞典的c a s t c a e 以及韩国的a n y e a s t i n g 等；国内华中科技大学的华铸c a e 、 清华大学开发的f t - s t a r 以及华北工学院开发的c a s t s o f t 等也已被多家企业 所接受，并应用于生产过程，模拟结果较为切合实际情况。 表1 国内外主要铸造模拟软件及应用功能简介 名称开发者模拟算法主要功能应用范围 美国流动、传热计算：应力分砂型、金属型等 p r o c a s tf e m u e s 公司 析；电磁铸造：c a d 接口 名数铸造t 萝 美国 造型；流动、传热计算； 多数砂型、 f l o w - 3 df 】d 】f v m f l o ws c i e n c e 微观组织模拟；c a d 接口特种铸造工艺 韩国流动、传热计算；多数砂型、特种 a n y e a s t i n g f d m a n y c a s t i n g 公司 c a d 接口铸造工艺 m a g m 慷 德国 造型；流动、传热计算； 多数砂型、金属 s o f tm a g 队 f d m f e m 组织模拟；应力分析；c a d 型铸造工艺 接口 法国 流动、传热计算； 低压、重力、精 s i m i ，o rf v m 密铸造及金属型 p e c h i n e y 铝业 c a d 接口 铸造 p a m c a s t 法国流动、传热计算； t 1 订e s i 公司 f v m 多数铸造工艺 c a d 接口 日本高利科公流动、传热计算； j s c a s td f d m 多数铸造工艺 司、大阪大学应力分析 中国流动、传热计算： i n t ec a s tf m d 多数铸造工艺 华中科技大学c a d 接口 中国流动、传热计算；组织模 f t - s 弱曰 f m d 多数铸造工艺 清华大学 拟；应力分析；c a d 接口 中国 流动、传热计算； 低压、差压、重 c a s t s o f tf d m 力、精密、倾斜 华北工学院c a d 接口 筹铸诰t 劳 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 课题选题依据 如前所述，铸造这种制造业中的基础产业，在国民经济中占有举足轻重的 作用。然而传统的铸造业却面临种种困境，很大程度上不能适应当今日益激烈 的市场竞争的需求，铸造业必须不断进行技术创新，寻找新的发展道路。计算 机仿真技术介入铸造领域，模拟铸造整个工艺过程已经成为国际学科研究的前 沿，并有了巨大的发展，显现出了良好的经济效益和市场前景。我国是铸造大 国，但技术上与世界先进水平还有较大差距，利用计算机技术改造国内传统铸 造业成为必然发展趋势，潜力巨大，市场前景广阔，经济效益明显。 近年来我国在铸造技术计