（机械工程专业论文）铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在年_ 月解密后适用本规定。 非涉密论文影 论文作者签名： 碰 日 导师签名： 期：2 4 ，芝尘箩 日期：龟乏堡垒星 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 中文摘要 中文摘要 运用数值模拟软件p r o c a s t 对铝合金梯级压铸件在不同参数下进行了充型凝 固过程的数值模拟。通过对试验结果的分析，优化压铸工艺参数得出最佳的参数 组合，以达到缩短压铸生产周期，提高生产效率的目的。本论文有以下几个方面 研究构成： 1 第一章，运用有限元软件i - d e a s 对梯级零件进行了结构分析，根据梯级不 同结构的受力大小，对梯级零件进行减重，同时使得电梯能够安全使用。但减重 过后壁厚变薄使得成形过程困难，从而引出该课题的意义。 2 第二章，从计算流体力学和传热学的角度介绍了数值模拟软件采用的理论 模型，并介绍了数值模拟软件p r o c a s t 。 3 第三章，简要说明了压铸理论及其压铸的新方法并运用三维造型软件u g 对 梯级零件进行了浇注系统的三维模型设计，包括直浇道、横浇道、内浇道设计及 溢流槽的分布安排等。 4 第四章，把三维模型以p a r a s o l i d 格式导入p r o c a s t ，在p r o c a s t 中画好网 格，并进行相应的边界条件设置。选出影响压铸的三个重要因素模具温度、浇注 温度及充型速度，并对每个因素选用三个水平，设计正交试验进行数值模拟，并 对试验结果进行分析得出最佳工艺参数。 5 第五章，对上一章得出的最佳工艺参数模具温度1 9 0 、浇注温度6 2 0 、 浇注速度5m s 进行数值模拟分析，说明此组参数可减少裹气、氧化夹杂、缩松 缩孔等铸造缺陷。最后通过实际生产验证，表明模拟结果与实际生产相吻合，并 对生产出的梯级零件进行了各项力学性能检验，符合电梯安全使用的国家标准。 关键词：梯级；铝合金压铸；参数优化；数值模拟；浇注系统设计； 作者：耿志雄 指导老师：冯志华 n u m e r i c a lsi m u l a t i o n ，p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n d u t i l i z a t i o nf o rd i ec a s t i n g p r o c e s so fs t e p a b s t r a c t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t e pa l u m i n u ma l l o yd i ec a s t i n gm o l df i l l i n gp r o c e s s w a sc a r r i e do u ta tt h es a m ep a r a m e t e r sb yu s eo fp r o c a s t s o t t w a r e o p t i m a lp a r a m e t e r c o m b i n a t i o nw a so b t a i n e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l ta n a l y s e sa n do p t i m i z a t i o no fd i e c a s t i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s t h es t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 i nt h ef i r s tc h a p t e r , s t r u c t u r ea n a l y s i sw a sd o n et os t e pp a r t su s i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ei - d e a s t h ew e i g h to fs t e pp a r t sw a sr e d u c e db a s e do nt h ef o r c eb e a r i n g m a g n i t u d eo fs t e pd i f f e r e n ts t r u c t u r e st oe n s u r et h es a f e t yo fe l e v a t o r h o w e v e r , t h et h i n w a l lt h i c k n e s sa f t e rw e i g h tr e d u c t i o nm a k e si th a r dt of o r ma n dt h es u b j e c ti s i n t r o d u c e d 2 i nc h a p t e r2 ，t h e o r e t i c a lm o d e lu s e di nt h i sn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e s o f t w a r ep r o c a s tu s e dw e r ei n t r o d u c e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c sa n d h e a tt r a n s f e r 3 c h a p t e r3g i v e sa b r i e fd e s c r i p t i o no fd i ec a s t i n gt h e o r ya n dan e wd i ec a s t i n g m e t h o d b e s i d e s ，t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fs t e pp a r t sg a t i n gs y s t e mw a sd e s i g n e db y u g ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fs p r u e ，r u n n e r , i n g a t ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f o v e r f l o w 。 4 i nc h a p t e r4 ，t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li np a r a s o l i df o r m a tw a si m p o r t e di n t o p r o c a s t , t h e np a i n t i n gg r i da n ds e t t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n si n p r o c a s t t h r e ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gc a s t i n gw e r es e l e c t e d ，t h e ya r em o l d t e m p e r a t u r e19 0 c ，p o u r i n gt e m p e r a t u r e6 2 0 ca n df i l l i n gs p e e d5 m ss e p a r m e l y a n d c h o o s et h r e el e v e l si ne a c hf a c t o r , d e s i g no r t h o g o n a lt e s tt on u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n d a n a l y s i so f t h et e s tr e s u l t st oo b t a i nt h eo p t i m u mp a r a m e t e r sf i n a l l y 5 i nc h a p t e r5 , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i st h eo p t i m a lp r o c e s sp a r a m e t e r s ， w h i c ho b t a i n e do nt h el a s tc h a p t e r s h o w st h a tt h i ss e to fp a r a m e t e r sc a nr e d u c et h e w r a p p e dg a s ，o x i d ei n c l u s i o n s ，c a s t i n gd e f e c t ss u c h 嬲s h r i n k a g ep o r o s i t y f i n a l l y , v e r i f y t h ea c t u a lp r o d u c t i o n , s i m u l a t i o nr e s u l t sc o i n c i d ew i t l lt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，a n dt h e i i s t e p s t op r o d u c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp a r t sw e r et e s t e d t om e e tn a t i o n a l s t a n d a r d sf o rt h es a f eu s eo fe l e v a t o r s k e yw o r d s ：s t e p ；a l u m i n u ma l l o yd i ec a s t i n g ；p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；d e s i g no fg a t i n gs y s t e m ； i i i w r i t t e n b y ：g e n gz h i x i o n g s u p e r v b e db y ：f e n gz h i h u a 、 目录 第一章绪论一1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 铸造过程数值模拟技术发展概述4 1 2 1 国外的发展概述4 1 2 2 国内发展概述5 1 3 铝及其铝合金分类5 1 3 1 铝5 1 3 2 铝合金分类6 1 4 本课题研究的主要内容8 第二章铸件充型凝固过程的数值模拟及软件简介”9 2 1 铸件充型过程数值模拟9 2 1 1 充型过程流体力学基础9 2 1 2 充型过程常用的数值模拟方法1 2 2 2 铸件凝固过程数值模拟1 4 2 2 1 凝固过程传热学基础1 5 2 2 2 求解导热问题的有限差分法2 0 2 2 3 凝固过程缩孔、缩松预测2 1 2 3p r o c a s t 软件简介”2 1 2 3 1p r o c a s t 软件的特点2 2 2 3 2p r o c a s t 软件的基本模块2 3 2 3 3p r o c a s t 软件的模拟分析流程2 5 2 4 本章小结”2 5 第三章压力铸造概述及浇注系统模型设计2 6 3 1 压力铸造概述2 6 3 1 1 压力铸造特点2 6 3 1 2 典型的压铸填充理论2 7 3 1 3 压铸新工艺2 9 3 2 浇注系统的设计”3 1 3 2 1 铝合金梯级模型3 1 3 2 2 梯级分型面选择3 2 3 2 3 直浇道的设计3 4 3 2 4 横浇道的设计3 5 3 2 5 内浇口的设计3 5 3 2 6 溢流槽的设计3 7 3 3 本章小结4 1 第四章铝合金梯级压铸过程的数值模拟及分析4 2 4 1 数值模拟方案的设计及数值模拟前处理4 2 4 1 1 数值模拟方案的试验设计4 2 4 1 2 数值模拟前处理4 3 4 2 数值模拟及分析4 5 4 2 1 充型过程的模拟及分析4 5 4 2 2 凝固过程的模拟及分析5 5 4 3 最佳工艺参数的确定6 1 4 4 本章小结6 2 第五章铝合金梯级压铸工艺分析”6 3 5 1 溢流槽的优化改进一6 3 5 2 充型过程的分析一6 3 5 3 凝固过程的分析6 6 5 4 生产检验6 8 5 5 结论”7 3 第六章结论与展望7 4 6 1 结j 淦7 4 6 2 展望7 4 参考文献7 5 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文“7 8 致谢7 9 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 自动扶梯( 图1 1 ) 是一种开放式的连续运输工具，每小时可输送1 0 0 0 - - 1 5 0 0 人，而且它既能上行，也能下行，当停电或检修而停止运转时，还可作普通楼梯 使用，十分方便。因此广泛应用于商场、机场、车站、码头、等人流密集的场所【1 1 。 图1 - 1 自动扶梯 图1 2 梯级和安装 在每一台自动扶梯中，铝合金整体梯级是最多且是重要部件之一( 见图1 2 所 示) 。因为乘客站在自动扶梯的梯级踏面上，所以对其承载能力和安全性能有很高 要求。按照国家标准g b l 6 8 9 9 1 9 9 7 第8 2 2 1 1 条和第8 2 2 2 1 条规定，对产品的机械性能指标明确了技术控制要 第一章绪论铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 求，当施力n 3 0 0 0 n 静载试验时，要求试验中在梯级踏板上所测得的挠度不得超过 4 m m ，且应无永久性变形；动态试验，施加0 5 - - ，3 k n 的脉动载荷，至少循环撞击 5 0 0 万次后，梯级不应出现断裂现象，踏面的最大挠度不得超过4 m m 2 。 为满足上述技术要求，目前，国内外制造的1 0 0 0 m m 规格的铝合金梯级壁厚 约为2 5 - - - 4 m m ，重量约为1 2 一- - 1 5 k g 。考虑到制造成本和资源问题，梯级的轻量 化、节能化已经是大势所趋。 为确保梯级的安全性能和使用寿命，不能盲目地减少铸件的壁厚和改变结构 来达到减重和节约成本的目的。在此，我们通过软件对梯级进行受力模拟分析， 从而找到结构的薄弱环节并有针对性的调整零件的形状和尺寸。 本文首先借助于p r o e 软件形成零件的三维模型，再利用i - d e a sv i s u a l i z e r 软 件对其进行f e a 模拟分析，如图1 3 所示的分析过程。找出零件结构的薄弱之处， 然后调整零件的结构和壁厚。原铸件壁厚平均为3 m m ，经过分析调整现降低为 2 2 m m ，如图1 4 所示梯级壁厚的减少，包括梯级的两端支撑部位也进行了一定的 减重设计；如图1 5 所示梯级踏面下方的加强筋由两条减少为一条。经过这些减重 图1 - 3 梯级的i - d e a s 分析过程 压力铸造是使合金在熔融状态下浇入压铸机压室，随后在高压的作用下，以 极高的速度充填在压铸模的型腔内，并在高压力下使熔融合金冷却凝固成形的高 效益、高效率的精密铸造方法。由于合金是在高速下充型的，因此压铸可以成形 形状复杂的薄壁铸件，对于铸件的轮廓、凸凹、窄槽等都能清晰的压铸出来。并 2- 谗 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 第一章绪论 且合金是在高压下凝固的，对于铸件的气孔、缩孔和缩松的减小有一定的作用， 因此压铸件具有组织致密、尺寸精度和表面光洁度都很高等特点。由于压力铸造 具有以上的优点，对于铝合金梯级这样大型复杂的薄壁铸件，压铸成形几乎是最 好的选择。因此本论文中的铝合金梯级采用压力铸造工艺，可以在最大限度减少 缺陷的同时，提高铸件的密度和强度，缩短单位生产周期，降低成本。因此如何 配置合理的铝合金梯级铸造参数，控制铸件质量，保证铸件的成型性，是目前所 要解决的问题。 k e e p t h ew a l l t h i c k n e s s3 5h e r e 卜j ，刷。! ，】：譬 岁丘c e y c h an g m 9 i n e s sf r o m3 5t o2 5 图1 _ 4 减小梯级壁厚 童 弹f 鼍r 1 肾四露哗即黜譬辨碍咒卵刖r 节 l 跫。 二 l ： 卜 l p r o p o s a l i 1r i b 1 l 臻 2 7 0 9c a a剖nits弱nge。j f 71 0 n go l l er i l ： 漕嬉i 矗! ：j 逸j。j 找苎山拦妇。鲨乩 图1 - 5 改变加强筋的数量和位置 由于壁厚变薄，其成形难度将变大。如果依靠经验来设计模具的浇注系统和 调整工艺参数使其成形，将要耗费大量的时间和物力。利用凝固过程数值模拟分 析软件，来预测和分析铸造中产生缺陷的部位，以此判断模具设计和铸造工艺是 否合理，并以此为依据进行模具调整和铸造工艺的改进，为获得少或无缺陷的铸 黟嚣擎转澎懿秽薮器，k和一一移“曩n鞲搿“m爷“ 第一章绪论 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 件提供了理论依据，同时也缩短新产品的试制周期，降低生产成本，提高生产效 率。本研究内容和方法具有推广应用性，为相关内容的进一步研究提供了参考依 据，对实际生产应用也具有重要的现实意义和实用价值。 铸造过程的数值模拟是学科发展的前沿，是改造传统铸造的产业的必由之路。 历经数十年的努力，铸造充型、凝固过程计算机模拟仿真的发展已进入工程实用 化阶段【3 】。对铸造过程计算机数值模拟方面开展深入的研究工作将为铸造工艺优化 设计提供基础数据和理论依据。通过对铸造过程的计算机模拟，分析各参数下铸 件缺陷，来确定工艺参数，优化工艺方案，并最终达到优质、高效、低耗、清洁 的目标，必将产生可观的经济效益和社会效益。 1 2 铸造过程数值模拟技术发展概述 1 2 1 国外的发展概述 国外在铸件充型凝固过程数值模拟方面的研究开展的较早。1 9 6 2 年，丹麦学 者f o r s u n d 首次采用计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算【4 】。1 9 6 5 年， 美国通用汽车公司的h e n z e l 和k e v e r i a n 等人应用瞬态传热通用程序，对汽轮机缸体 铸件进行了数值模拟，计算结果与实测结果非常接近。1 9 6 6 年o l d f i e l d 首次将凝固 的微观因素与能量方程结合用于灰铸铁的数值模拟研究，提出了连续形核模型【5 】。 1 9 7 3 年挪威的v i c t r o 和d a v i e s 等人在铸造铝制品时，将有限差分法应用于砂型铸 造、金属型铸造和低压铸造。1 9 7 4 年l o sa l a m o s 科学实验室开发了计算机生成的 颜色移动图片技术，这种技术使用标准的缩微胶卷拍摄装置，通过对一系列光过 滤器设置的控制程序，利用1 1 种复合颜色描述不同温度范围，最终产生条状或斑 点状图像，实现了计算机仿真技术铸型剖面的可视化。1 9 8 3 年，美国匹兹堡大学的 r a s t o e h r 和w s h w a n g 首先将二维流体流动计算软件m a c 用于铸件充型过程研 究，模拟了液态金属流入一个矩形水平型腔和阶梯式垂直型腔的充型过程。1 9 8 8 年，r a s t o e h r 等人又进行了流动与传热的耦合计算，w s h w a n g 后来又将s o l a 与 m a c 结合起来模拟了试件三维充型凝固过程【6 】。在8 0 年代后期，充型模拟技术得 到快速发展，且应用到实际生产中，利用充型过程模拟可有效改进浇注系统，消 除由流动引起的铸造缺陷，对凝固和补缩能预测一个最佳的温度分布，提高了铸 件质量和产率。在9 0 年代，铸造过程计算机数值模拟技术得到更深一层的推动， 发展了微观组织模拟，它除了对冶金学有更深意义的影响外，还能预测铸件的机 械性能。到了9 0 年代后期，开始了对应力和变形的模拟研究，从而使得铸件的扭 4 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用第一章绪论 曲变形得到控制，减少了残余应力，最大程度地消除了铸件的热裂纹和裂缝，减 少模具变形，提高了模具的使用寿命。到了2 l 世纪初，由于计算机机技术飞速发 展，国外的三维数值模拟软件开发已趋于完善，数值模拟得到空前的发展，各种 铸造商用软件在实际生产中得到广泛应用，并取得良好的效果，这很大程度上得 益于高性能的计算机的普及和铸造理论及模型的成熟和完善。液态金属的充型、 凝固模拟己经成为一个前沿课题。同时，对铸件的组织特征进行预测和模拟越来 越受到研究者的重视，这已经成为铸造数值模拟技术的新的生长点【7 】。 1 2 2 国内发展概述 我国从2 0 世纪7 0 年代末期开始加入到这个研究行列，虽起步较晚，但进展迅 速，在这方面也取得了可喜的成就。8 0 年代国内铸造过程数值模拟研究，在全国范 围内掀起了一个高潮，是当时铸造领域计算机研究的热点。1 9 8 0 年，沈阳铸造研究 所及大连理工大学对铸件进行了温度场模拟。从1 9 8 2 年开始，大连工学院的郑贤淑、 金俊泽等人开始了铸造应力的数值模拟的研究。他们采用热弹塑性力学模型对大 型铸件的铸造及热处理应力进行了模拟。此后，哈尔滨工业大学、西北工业大学、 西安交通大学、清华大学、华中工学院都先后开展了应力场的模拟研究工作。除 上述研究机构外，上海交通大学，沈阳工业大学，北京科技大学，沈阳大型铸锻 件研究所，合肥工业大学等单位也取得了很多研究成果，并相应开发了一系列的 应用软件。目前国内开发的商品化软件的部分功能已与国外软件想当，如清华大 学f t - s t a r ( 铸造之星) ，华中科技大学的华铸c a e ，中北大学的c a s t - s o f t 。这些软件 可满足铸造工厂的一般需求。国内外铸造c a e 商品化软件的功能正向低压铸造、 压力铸造及熔模铸造等特种铸造发展。如果说8 0 年代国内的铸造行业的计算机应 用处于发育期，而9 0 年代至今的二十多年时间则是逐步壮大、完善，相对进入了 成熟期，很多技术投入了生产应用。另外一些新的技术不断涌现，传统的铸造生产 方式不断被改变【盯。 1 3 铝及其铝合金分类 1 3 1 铝 铝在自然界中分布很广，据统计，约占地壳重量的8 8 ，比铁( 5 1 ) 还多。 纯铝呈银白色，其熔点较低为6 6 0 4 。，但熔化潜热高为3 7 9 4 j g ，因而相当难熔； 纯铝具有良好的导热性、导电性和耐蚀性，在固态下呈面心立方晶体结构，塑性 好( 万= 3 0 - 8 0 ，沙= 8 0 ) ，但强度低( 吒= 7 8 - - - - 9 8 m n m 2 ) ，不能用作结 5 第一章绪论 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 构材料。铝还具有易于铸造，易于切削，易于成形，适合各种形式的压力加工等 优点。铝的密度低，为2 7 9 c m 3 ，仅为铁的1 3 ，属于轻金属9 1 。 1 3 2 铝合金分类 铝合金按加工方法可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类： 一、变形铝合金 通过锻造、滚轧、碾压、挤压等方法给铝合金施加以外力，使其产生形变而 成为各种不同形状、尺寸、性能的材料或制品的一类铝合金【。根据合金性能和 使用特点，变形铝合金可分为五类：防锈铝、硬铝、超硬铝、锻铝、特殊铝。 ( 1 ) 防锈铝 防锈铝的特点是具有良好的范性和比纯铝较高的强度、突出的耐蚀性，良好 的可焊性以及满意的压力加工成型性。a 1 m g 系和a i m n 系合金属于这一类，其 中a i m g 系合金的比重比纯铝还小。 ( 2 ) 硬铝合金 硬铝是在铝铜二元合金的基础上发展起来的，是可进行热处理强化的变形铝 合金中应用最广的一组合金。其常用主要元素为铜及镁。 ( 3 ) 超硬铝合金 为满足日益发展的对铝合金强度的要求，已创制出更高硬度的硬铝，通称超 硬铝。其特点是在一般硬铝的基础上，再加入锌、铬等合金元素，利用多种元素 的复合作用来进行强化，已获得了高达5 9 0 m n m 2 上的强度。 ( 4 ) 锻造铝合金 锻造铝合金用来做锻件，除要求高强度外，还要有良好的高温塑性。这类合 金是在a i m g s i 系基础上加入c u 和少量的m n 发展起来的。a i 中加入m g 和s i 能形成强化相m 9 2 s i ，它在a l 中有较大的溶解度，并随温度下降而显著减小。因 而合金具有明显的时效强化效应。a 1 一m g s i 系基础上加入c u 能形成强化相缈 ( c u 4 m g s s i 4 a 1 ) ，高时还出现c u a l 2 ( 0 ) $ 1 1a 1 2 c u m g ( s ) 相，随w c u 增加，时 效强化能力增大。锻铝合金的主要强化相是m 醇s i 和c o 相，它们在室温下析出速 度很慢，故通常采用人工时效。 ( 5 ) 特殊铝 凡是不属于上述四类的、或经过特殊处理的变形铝合金均列为特殊铝。例如， 用作焊接线材的l t l 合金就是含硅约4 5 - - 6 0 的铝合金【1 。 6 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 第一章绪论 二、铸造铝合金【拉叫3 j 铸造铝合金的力学性能不如变形镁合金，但铸造铝合金有良好的铸造性能， 可以制成形状复杂的零件。在铸造铝合金过程中不需要庞大的加工设备，并具有 节约金属、降低成本、减少工时等优点，在航空、民用等工业领域都得到了广泛 的应用1 1 2 1 。 常用的铸造铝合金有a 1 s i 系、a 1 c u 系、a i m g 系和触z n 系四大类，其中 a 1 s i 系合金是航空工业中应用最广泛的铸造铝合金，该合金具有良好的铸造性能、 抗腐蚀性能和机械性能。二元a 1 s i 合金虽然铸造性能和抗腐蚀性能良好，但是强 度较低。若在a 1 s i 合金基础上加入m g 、c u 等合金元素，可以加强热处理强化效 果，从而提高合金的机械性能【1 3 】。 二元a 1 s i 合金又称硅铝明，含硅量为l1 - - 1 3 。铝硅合金属于共晶系中的 平滑粗糙型。共晶熔体具有流动性大、收缩性小、填充性好的以及不容易产生铸 造裂纹的特点，铸件具有良好的可焊性，但易产生氧化膜，易吸收气体。铝硅合 金的根本问题是，组织中的硅晶体，无论是在共晶内或共晶外，都易呈粗大的针 状或块状，这种组织使其强度和塑性都很差。能否改变这个组织，便成了其推广 的关键。研究证明，用微量钠盐( n a f 和n a c l 的混合体，配比为2 ：1 ) 进行变质 处理，可使组织转化为细粒状，得到由初晶a - a 1 和细小共晶体( c t + s i ) 组成的亚共 晶组织，从而显著地提高了其强度和塑性，为这种合金开拓了新前景。 然而即使经过变质处理，合金强度仍然较低，通常用来制作机械性能要求不 高而形状复杂的铸件。为了进一步提高a l s i 合金的机械性能，通常需要加入c u 、 m g 、m n 等合金元素，形成m 9 2 s i 、乡和功等强化，通过淬火和时效使合金进：一步强 化。但应避免产生游离的化合物，因它会使塑性不高的硅铝明进一步减低其塑性， 因而铜和镁的加入量应严格控制，镁一般为0 1 5 - - 0 4 ，铜一般不超过1 2 ， 从而形成所谓的特殊硅铝明。铁在硅铝明中依然是难免的有害杂质，加入锰可减 弱铁的有害作用，所以硅铝明中一般均含有0 3 - 一0 5 的m n 。时效后的硅铝明在 万 o 2 的条件下，民可大于2 2 5 m n m 2 。 在铸造铝合金中还有含1 0 - - - , 1 4 z n 及少量铜、镁和锰的所谓锌硅铝明，这种 合金并不含硅，虽然没有共晶组织，其铸造性较差，但强度较高，c r h 可达19 5 - - - , 3 4 0 m n m 2 ，其万仍有1 - - 2 。若加少量铍和硼，贝a j , r b 可进一步提高到3 9 0 m n m 2 【1 3 】。 7 第一章绪论铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 1 4 本课题研究的主要内容 本课题以材料为a i s i 8 c u 3 的压力铸造梯级为研究对象，针对梯级大型薄壁的结 构特点，先设计一个浇注系统，采用正交试验方案对该梯级在不同生产工艺下的 压铸过程进行数值模拟，根据模拟结果的分析比较，分析铸件产生缺陷的原因， 预测气孔、裹气、缩松缩孔等缺陷出现的可能性，得到最佳的生产工艺方案或进 一步优化设计工艺。主要内容如下： 利用有限元软件i - d e a sv i s u a l i z e r 对梯级进行受力分析，以确保在零件减重 的同时能够符号梯级的安全使用要求。 根据压力铸造法的特点，对铸件结构、形状进行分析，利用三维c a d 造型软 件设计出铸件的浇注系统。 在综合理解充型、凝固模拟软件算法的基础上，根据相应的数值模拟运算 模型，设定相关边界条件的数值处理方法和传热参数，能够与实际情况吻合。 结合生产的实际情况，建立模拟所需要的各项工艺参数，并利用正交实验 设计，将组合模拟结果进行对比和分析，加以确定其最佳工艺参数。并通过模拟 梯级充型过程的速度场、凝固过程的温度场，以验证此浇注系统设计的合理性， 根据模拟结果分析可能出现的缺陷及所在部位，对浇注系统进行优化设计。 对最佳工艺进行模拟计算，分析改进后的各压铸工艺因素对梯级铸件质量 影响的大小，确定主要的工艺参数，综合考虑铸件的质量要求、制造周期和成本， 确定最后的工艺参数，从而提高企业的效益。 8 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用第二章铸件充型凝固过程的数值模拟及软件简介 第二章铸件充型凝固过程的数值模拟及软件简介 2 1 铸件充型过程数值模拟 充型过程是指流体通过浇注系统进入型腔到型腔充满这一短暂的流动过程， 它是铸造成形过程中的重要环节。铸造充型过程中会产生氧化、传热、热损失、 冲击破坏等一系列化学和物理的变化，因此充型过程与铸件质量密切相关。铸造 过程中产生的许多缺陷都与铸件的充型过程有着密不可分的联系。充型过程数值 模拟即通过建立并求解描述这一过程的微分方程，得到充型过程中压力场、速度 场、温度场以及自由表面的定量变化。并由此优化浇冒口系统设计，防止浇道中 吸气，消除流股分离现象以避免氧化，减轻液态金属对铸型的冲蚀，而且可以模 拟出液态金属的温度分布，从而预测浇不足、冷隔等缺陷，为选择正确的浇注方 法、控制成形中缺陷的发生奠定科学基础，并为后续的凝固过程模拟分析提供初 始温度场条件【1 4 1 。 2 1 1 充型过程流体力学基础 一、流体力学基本概念和定律 l 、流动的分类 ( 1 ) 恒定流动和非恒定流动 随时间变化的流动称为非恒定流动，不随时间变化的称为恒定流动。某种流 动是当作恒定流动考虑还是当作非恒定流动考虑要根据具体场合而确定，例如紊 流问题，从微观讲是非恒定流动，但如果考虑某段时间的平均值的话，则可以当 作恒定流动。此外浇注系统中的非恒定金属流动往往当作恒定流动看待。 ( 2 ) 层流和紊流 所谓层流是指流体的流线不相互掺混，井然不乱的一种流动方式。紊流是指 流线相互掺混的一种流动方式。流动是层流还是紊流，可以根据由经验得出的某 个临界雷诺数来确定。雷诺数i b 可以用惯性力和粘性力之比以一个无量纲数来表 示，即 r e ：一堕垄竺兰壁堡垦鏖! ， 9 ( 2 1 ) 第二章铸件充型凝固过程的数值模拟及软件简介铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 式中，厂= 薯髻称为运动粘度，液体金属的运动粘度大约是1 。6 m 2 s 。铸造 过程中的流动几乎都是紊流。 ( 3 ) 粘性流与牛顿流体 具有粘滞性的粘性液体的流动称为粘性流，所谓粘性是指流体变形时产生的 阻力或能量损失。如果阻力与变形速度成正比，这样的粘性流体称为牛顿流体， 这个比例系数就是动力粘度q ，表示流层间出现相对流速时的内摩擦特性。流体之 所以出现粘性，主要时由于分子间引力和流体分子的垂直流动方向热运动所引起。 一般情况下，液体流度随温度上升而下降，气体粘度随温度上升而增加。 2 、液体的粘性 当液体的流层之间出现相对位移时，不同的流动速度的流层之间会出现切向 粘性力。流体这种抵抗切向粘性力的能力称为粘性【15 1 。如果在两块无限大平板之 间有流体，而两板间的距离很小，下板静止不动，上板在x 方向上以速度圾移动， 见图2 1 。流体各层在y 方向上具有图示速度分布，由于粘性力导致流体质点产生 沿x 方向的有序运动，在j ，方向上出现了速度梯度d u d y ，则切向粘性力可由下式 表示： 下垮= 一”警 ( 2 2 ) 哕 式中，f 。为切应力，第一个脚标y 表示切应力的法线方向，第二个脚标x 表示切应 力的方向。 液体动力粘度与热力学温度丁之间的关系可由a n d r a d e 方程表示： r ：k e e , 腿r ( 2 3 ) 式中，k 表示液体相对分子质量及其特征的常数；e 表示流动活化能；r 为气体 常数。铸造过程中遇到的合金液和熔渣的粘度除与温度有关外，还与它们的液体 结构和化学特性随温度的变化有关。如共晶成分的合金液的粘度在同系合金中粘 度最小：结晶温度间隔越宽，合金液的粘度就越大。 l o 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用第二章铸件充型凝固过程的数值堡塑丝鏊壁笪坌 二、粘性流体流动的基本方程 1 、质量守恒定律连续性方程 所谓质量守恒定律就是说“某个领域的质量只要没有因流动而产生流入或流 出，则就不会产生变化 。质量守恒定律是流动过程必须满足的必要条件。数学形 式为： 望+ 塑盟+ 塑+ 塑：o ( 2 4 ) 8 t瓠 弛 a z 式中，蚧“，和分别为速度在三个方向( x ，j ，、z ) 上的分量，户为流体的 密度。 对于不可压缩流体，有等= o ，那么连续性方程变为如下形式： d i v 甜：丝+ 堕+ 丝：0 ( 2 5 ) 徼 砂 抛 这表明不可压缩流体的速度散度为零。 2 、动量守恒方程叫s 方程 粘性流体运动方程式是动量守恒定律的数学表达形式，即根据牛顿第二定律 导出的粘性流体运动方程式，又称为纳维一斯托克斯方程式( n s 方程) ，数学形 式如下： p 警= p e 一篆+ 昙 ( 2 警一詈m 甜) + 昙 ( 等+ 誓) + 鲁k 誓+ 警) 第二章铸件充型凝周过程的数值模拟及软件简介铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用 ( 2 6 a ) 尸鲁= p 6 一爹+ 参 ( 2 等一詈a i v z ，) + 昙 ( 鲁+ 等) + 昙 ( 警+ 等 ( 2 6 b ) p d m u z = p e o 宓p + 丢 ( 2 警一弘v “ + 昙 ( 警+ 警) + 导 ( 誓+ 等) ( 2 6 c ) 式中，e ，e ，e 是单位质量的体积力分量，尸为流体的压力。 对于不可压缩流体的流动，d i v u = o ；当温度变化不大时，粘性系数可取为常 数。那么n s 方程可简化为： 萼+蚝誓+甜，誓+o刍uxi：e 一三芒+ 闪2 蚝 ( 2 - 7 a ) 西+ 蚝蓄+ 略苗+ 昆2 只一万瓦+ d v 蚝 2 7 们 鲁帆誓坞鲁帆警= c 一吉考+ 田2 甜y c 2 玑) 警+ 心警+ 吩等+ 警= e 一吉善+ 胛2 c 2 吼) 式中，。为运动粘度系数，v 2 = 竺o x 2 + 善+ 可0 2 称为拉普拉斯算子。 此方程为不可压缩流体的n s 方程。它与连续性方程一起组成基本方程组， 可用来解决粘性不可压缩流体的动力学问题【1 6 1 。 2 1 2 充型过程常用的数值模拟方赞 一、s i m p l e 方法 由干计算速度场的真正困难在于压力场求解，因而最初人们在二维问题中通 过交叉微分从两个动量方程中消去了压力项，得到流函数，即涡旋量法。但是在 三维的问题中，流函数并不存在此方法不能方便地扩展到三维的情况，因而研 究者们致力于寻找一种采用所谓的基本变量( 即速度分量和压力) 的数值求解方法。 这样的解法要求必须进行速度场、压力场的迭代，通过猜测值得到满意解。p a t a n k a r 提出了s i m p l e 方法和s i m p l e r 方法，s i m p l e 是英文s e m ii m p l i c i tm e t h o df o r p r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s 的简称，表示压力连接方程的半隐式方法，s i m p l e 是典 型的比较全面的流场计算方法。计算出的速度场不仅满足于连续方程的要求，也 满足动量方程的要求。其主要特点是压力场和速度场同时迭代，主要的运算步骤 1 2 铝合金梯级压铸过程的数值模拟、参数优化及应用第二章铸件充型凝固过程的数值模拟及软件简介 如f ： 试探压力场，； 解动量方程，得到试算速度u 、v ，w ： 求解压力校正方程，得到校正后的压力p 1 ； 将p 1 加到p 奎上，得到校正后的压力尸； 利用速度校正公式，由，1 ，矿计算出校正后的速度甜，v ，w ； 如果其他参量( 如温度、浓度等) 会通过流体的性质、源项等影响流动场，就 求出它们的离散化方程； 把校正后的压力p 作为新的试探压力p 事，回到第二步，重复整个过程直到 得到收敛解。 二、m a c 方法 m a c 方法由美国加利用尼亚大学的f h h a r l o w 和j ew e t c h 于1 9 6 5 年提 出的，这种方法在e u l e r 矩形网格上建立n s 方程的差分格式，比用流函数和涡旋 量作变量的方法有了更大的适应件，特别适用于自由表面相多介质问题的计算。 它根据已知速度场可得到下一时刻有关压力场的泊松方程，求出压力场后再求出 下一时刻的速度场。m a c 方法设置了随流体流动的标识粒子，它并不参与计算， 而是作为一种描述手段，以跟踪自由边界的移动。m a c 方法将流体运动过程分解 为两个基本要素，一是模拟计算任意空间点( c e l l ) 的速度二是跟踪计算出通过该 点任意流体质点的运动，并用适当的方法( 如粒子图、矢量图) 显示标识粒子，两者 的结合，描述了整个流动的形态 1 7 l8 】。 m a c 技术的特点时直接在直角坐标系下求解，无需对方程进行变形处理；直 接求解n s 方程，因而速度边界条件容易给定，适于求解粘性不可压缩流体的运 动；另外这种方法易于实现二维向三维的转化。然而，这种