（材料学专业论文）双螺旋辊式磨浆机螺旋套铸造工艺数值模拟.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕l j 学位论文 双螺旋辊式磨浆机螺旋套铸造工艺数值模拟 摘要 根据双螺旋辊式磨浆机螺旋套零件图，利用p r o e 三维造型模拟软件对 螺旋套零件进行三维实体模拟造型。然后利用铸造数值模拟软件a n y c a s t i n g 进行模型导入、网格化分及模拟参数设定进行数值模拟试验。通过砂型铸造 数值模拟试验工艺，进行充型、凝固数值模拟，根据模拟结果的温度场分 布，预测产生缩松缩孔等缺陷的位置，与实体砂型螺旋套宏观缺陷位置比较 一致，证明利用a n y c a s t i n g 软件模拟双螺旋辊式磨浆机螺旋套铸造缺陷是 可靠的。 利用a n y c a s t i n g 软件对螺旋套零件不同铸造工艺下的铸造缺陷进行了 模拟。首先，模拟了砂型铸造在不同浇注速度下的缺陷分布情况，指出：浇 注速度高时缺陷较小，但无论浇注速度多大，砂型铸造都存在缩松和缩孔缺 陷，浇注试验表明砂型铸造出的螺旋套表面粗糙，存在凹坑，螺旋套内部存 在缩松和缩孔缺陷，无法生产出合格铸件。其次，模拟了树脂砂金属型复 合离心铸造在不同转速下的缺陷分布情况，结果表明：树脂砂金属型复合 离心铸造转速为1 1 0 0 r m i n 时缺陷较小，转速增大或减小都会使缺陷增加； 试浇试验可以看出树脂砂金属型复合离心铸造工艺下螺旋套表面质量较 好，内部存在比砂型铸造小很多的缩松缺陷。最后，模拟了金属型离心铸造 在不同转速和不同模具预热温度条件下的缺陷分布规律，指出金属型离心铸 造在转速11 0 0 r m i n 和模具预热温度4 0 0 时缺陷很少，浇注试验表明金属 型离心铸造生产的螺旋套外观质量好，宏观表面无缺陷，组织致密，内部未 发现缺陷。最终确定金属型离心铸造转速1 1 0 0 r m i n 和模具预热温度4 0 0 是螺旋套的最佳铸造工艺。 关键词螺旋套；数值模拟；缺陷预测 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 s t u d yo nca s t i n gp r o c e s sn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o r g r i n d i n gm a c h i n e o fd o u b l eh e l i xs c r o l lc o v e r a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ec a dd r a w i n go fs c r o l lc o v e r ，w eu s e dt h es o f t w a r eo f p r o es i m u l a t i o nm o d e l i n gt os i m u l a t et h en u m e r i c a lt h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t i e s p i e c e s ，t h a nu s i n gt h ec a s t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa n y c a s t i n gt oi m p o r t ，m e s h a n ds i m u l a t i o np a r a m e t e r so fs u b - s e t t i n g sf o rt h em o d e l i n g a st h es c r o l lc o v e r s q u a l i t yd e p e n d so nd i f f e r e n tc a s t i n gp r o c e s s e s i nt h i sp a p e r , w es i m u l a t e dt h e s a n dc a s t i n gp r o c e s sf o rm o l df i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o n ，a c c o r d i n gt h es i m u l a t i o n o ft e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nt op r e d i c tt h el o c a t i o no fs h r i n k a g ed e f e c t s t h a n c o m p a r i n gw i t ht h er e a ls c r o l lc o v e r sd e f e c t sl o c a t i o nb ys a n dc a s t i n g t h er e s u l t i st h es a m e s ow ec a np r o v et h ec a s t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r ei sr e l i a b l e u s i n g t h ec a s t i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e o fa n y c a s t i n gw ep r e d i c t e dt h e c a s t i n gd e f e c t sb yd i f f e r e n tc a s t i n gp r o c e s s e s f i r s t l y ，s i m u l a t i n g t h es c r o l l c o v e r ss a n dc a s t i n gp r o c e s sw ep r e d i c t e dt h es a n dc a s t i n gp r o c e s s sd e f e c tb y d i f f e r e n ts a n dc a s t i n gp r o c e s s sg r a v i t yc a s t i n gs p e e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h eh i g h e rg r a v i t yc a s t i n gs p e e dt h es c r o l lc o v e r sq u a l i t yi sb e t t e r b u tn o m a t t e rh o wh i g h e rs p e e di ti st h e r ea r es t i l ld e f e c t si n ，w et r yt oc a s tt h es c r o l l c o v e r f o u n d i n gt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ea r ep i t so nt h ec a s t i n gs u r f a c ea n d t h e r ea r es h r i n k a g ec a v i t i e sa n ds h r i n k a g ep o r o s i t i e si nt h ec a s t i n g so fg r a v i t y f o r c eb ys a n dc a s t i n g d o n ta c c o r dw i t ht h e a c t u a ls c r o l l c o v e r s q u a l i t y r e q u i r e m e n t s s e c o n d l ys i m u l a t i n g t h es c r o l lc o v e r sr e s i ns a n d 。m e t a l c o m p o s i t ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s s ，w ep r e d i c t e dt h es a n d - m e t a lc e n t r i f u g a l c a s t i n gp r o c e s s sd e f e c tb yd i f f e r e n tc e n t r i f u g a ls p e e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h e1 1o o r m i nc e n t r i f u g a ls p e e dm a d et h es c r o l lc o v e r sd e f e c ti sf e w e r t h e s p e e dh i g h e ro rl o w e rw i l l l c a dt h es c r o l lc o v e r sd e f e c t sb ei n c r e a s e ，w et r yt o c a s tt h es c r o l lc o v e r f o u n d i n gt h er e s u l t ss h o wt h a tt h es u r f a c eq u a l i t yi sg o o d a n dt h e r ei sl e s ss h r i n k a g et h a ns a n dc a s t i n gp r o c e s s f i n a l l y ，s i m u l a t i n gt h e s c r o l lc o v e r sm e t a l - t y p ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s s ，w ep r e d i c t e dt h em e t a l t y p e n 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 a n dt h e r ei sl e s ss h r i n k a g et h a ns a n dc a s t i n gp r o c e s s f i n a l l y ，s i m u l a t i n gt h e s c r o l lc o v e r sm e t a l - t y p ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s s ，w ep r e d i c t e dt h em e t a l t y p e c e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s s s d e f e c tb yd i f f e r e n t c e n t r i f u g a ls p e e da n dm o l d p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ep e r m u t a t i o na n dc o m b i n a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a tt h e110 0 r m i nc e n t r i f u g a ls p e e da n dm o l dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e4 0 0 c m a d et h es c r o l lc o v e rq u a l i t yi st h eb e s t w et r yt oc a s tt h es c r o l lc o v e r f o u n d i n gt h er e s u l t s s h o wt h a tt h es u r f a c eq u a l i t yi s g o o da n dt h e r e a r en o d e f e c t si nt h ec a s t i n g sb ym e t a l - t y p ec e n t r i f u g a lc a s t i n g ，f e w e ri n t e r n a ld e f e c t s ， d e f e c t f r e eo ns u r f a c e i tc a nb ed e t e r m i n e dt h a tt h em e t a l - t y p ec e n t r i f u g a l c a s t i n gs p e e di s 1lo o r m i na n dm o l dp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ei s4 0 0 a r et h e o p t i m u mt e c h n o l o g y k e y w o r d s s c r o l lc o v e r ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d e f e c tp r e d i c t i o n i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文双螺旋辊式磨浆机铸造 工艺螺旋套数值模拟，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部 分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承 担。 作者签名：席畚 日期：2 0 。9 年中月尹日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 双螺旋辊式磨浆机螺旋套铸造工艺数值模拟系本人在哈尔滨理工 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。 本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 腑 日期： 2 0 0 9 ：年f 月 尹 日 导师签名：zi 另；萍 日期：2 0 0 9 年年月汐日 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，在世界上已经有数千年的 悠久历史。曾经为人类的文明与进步做出了巨大贡献。无论是在发达国家还是 在发展中国家，铸造行业都有着不可替代的地位，对国民经济的发展起着十分 重要的作用，尤其在制造业中。据有关资料表明螺旋套在机床、内燃机、重型 机器中占7 0 - - 9 0 ，农业机械中占4 0 7 0 拖拉机中占5 0 7 0 i l 2 1 。此 外，铸造在冶金工业、航空、航天、船舶等重要产业部门都发挥着重要作用。 先进生产技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析，将数 值模拟应用于热加工工艺过程中，来确定工艺参数、优化工艺方案、预测过程 中可能出现的缺陷及采取的防止措施达到优质、高效、低耗、清洁、经济的目 标。计算机模拟是使包括铸造在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从 “经验”走向“科学”的重要标志。因此，在铸造过程计算机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【3 1 。 随着科学技术及生产机械化的发展铸造技术获得了巨大发展，但发展水平 参差不齐。目前我国铸造行业的总体水平与美国、法国、英国、德国、同本等 发达国家相比有很大差距。我国的铸造行业目前的生产厂家有两万个，从业人 员超过1 0 0 万，年产螺旋套超过1 0 0 0 万吨，从这一点可知我国是铸造生产大 国。但是劳动生产率与美国相差4 1 0 倍，我国精品只占2 ，美国占1 3 ( 1 9 9 4 年统计) 1 4 , 5 1 铸造产量中高性能、优质产品的比例占8 ，而美国已占 4 0 7 ( 1 9 9 8 年统计) 。世界各国铸造成形加工技术一般包括三个方面【6 】：( 1 ) 重大工程中的特大型螺旋套的关键铸造技术；( 2 ) 精确成形技术；( 3 ) 用计算 机模拟仿真技术逐步代替传统的经验性研究方法。其中铸造过程的计算机模拟 仿真技术已成为当今国际公认的制造科学与材料科学的主要前沿领域，也是改 造传统铸造产业的必由之路【7 9 】。 本课题来自哈尔滨科技攻关项目，由于双螺旋辊式磨浆机螺旋套质量、耐 磨蚀性及抗冲击性能不仅与材质有关，而且受其成形工艺影响，不同的成形工 艺所获得双螺旋辊式磨浆机螺旋套的质量会有很大差异。双螺旋辊式磨浆机螺 旋套的几何形状较复杂，目前国内一般都是采用型材加工的方法，这既浪费了 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 材料，增加了成本，而且增加了双螺旋辊式磨浆机螺旋套的制造周期。但总的 来说属回转体，可以采用离心铸造及其相关的铸造工艺。根据上述分析，我们 采用数值模拟与对比试验方法考察铸造工艺的成形性及其对双螺旋辊式磨浆机 螺旋套缺陷分析的影响来优化工艺。从而达到缩短试制周期，降低成本的目 的。 以现有的铸造模拟软件a n y c a s t i n g 为平台，在熟练应用a n y c a s t i n g 的基础 上，结合从事铸造充型、凝固过程数值模拟的实践经验。利用a n y c a s t i n g 内部 提供的模拟试验过程工具软件，采用对比试验的方法，对螺旋套砂型铸造工 艺、金属型离心铸造工艺和树脂砂金属型复合离心铸造工艺及工装进行模拟 试验。并对三种成形工艺的模拟结果进行了分析对比，选择其中最佳一种铸造 工艺，然后使用这种铸造工艺，具体对其优化参数( 如：浇注温度，转速，预 热温度，浇注速度，保温时间等) ，从而优化螺旋套的实体加工工艺及参数。 1 2 计算机模拟在铸造中的应用及发展 1 2 1 数值模拟技术概述 随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助工程 ( c a e ) 和计算机辅助制造( c a m ) 等技术在材料科学领域的应用正在不断 地扩大和深入。铸造过程( 重力铸造和压力铸造) 的计算机模拟涉及铸造工艺 理论、凝固理论、传热学、流体力学、数值分析以及计算机图形学等多种领 域，是公认的材料科学的前沿领域之一【1 0 1 。把铸造图样、铸型材料、铸造合金 物性值、凝固特性的描述数据及数学模型输入计算机进行仿真模拟，对于优化 产品设计，提高质量和缩短制造周期起着重要的作用。 传统的铸件生产多采用试错法对于大型铸件或新产品的开发来说，往往需 要反复的试制，这样不仅周期较长、浪费大，而且产品质量也难以保证。通过 对铸件的充型、凝固过程的仿真模拟，分析工艺参数对工艺实施结果的影响， 从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充 型、凝固过程的计算机模拟仿真技术的研究与开发己经进入了工程实用化阶 段。目前铸造过程模拟商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了 模拟分析的精度，模拟充型过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类 缺陷如。浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以 及组织模拟也取得了些进展【1 1 i 。 哈尔滨理t 大学工学硕j 二学位论文 本课题就是使用模拟铸造生产过程数值模拟软件a n y c a s t i n g 来对试验生产 双螺旋辊式磨浆机螺旋套铸造工艺进行数值模拟分析，它能够协助铸造工程人 员对铸造过程和铸造工艺及参数进行更加科学的优化设计。并且可以在实际生 产之前对螺旋套在浇注、凝固过程中可能产生的缺陷采用计算机数值模拟的方 法进行有效的预测，从而在浇注前就采取有效对策，以确保螺旋套的质量，是 可行的途径之一。通过模拟试验以达到缩短设计周期，降低设计成本，提高螺 旋套合格率，节省原材料，降低能耗。 铸造过程模拟软件一般包括前置处理模块、计算分析模块以及后置处理模 块。前置处理模块包括对铸件、砂芯、冷铁以及铸型等的三维造型和网格剖 分；计算分析模块是对铸件铸型系统的各物理场进行求解；后置处理模块是 把计算结果以曲线、图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来，最 后根据模拟分析的结果判断工艺的优劣，如果工艺不可行，则改进工艺重新进 行模拟分析直至获得一个比较满意的结果【1 2 1 。充型系统的优化设计，实际的充 型系统设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分 析，可以帮助设计者给出压力平衡、温度平衡的浇注系统，还可对系统内剪切 速率和摩擦热进行评估【1 3 1 ，如此准确的了解型腔内的熔体温度，避免一些缺 陷的产生。任何制造企业都面临着提高产品设计质量和缩短产品的生产周期的 问题，计算机模拟技术以其应用数学模型确保产品设计的合理性与优化技术组 合产生最佳产品设计方案等众多优点，成为现代设计流程的核心和现代设计的 聚焦点1 1 4 】。 计算机模拟不是独立存在的，它需要必需的环节是先利用三维造型软件制 作模型。在目前造型软件中，任何一款三维软件均可满足这个要求。但三维模 拟软件的种类很多，使用方法，文件存储形式各不相同，为确保它们之间的连 接( 数据共享) ，各国的国家标准，巨型企业的企业标准，以及国际标准被先后 推出，经过多年来的发展己逐步统一成了有限的几种【1 1 1 2 7 之8 如下： ( 1 ) i g e s ( i n i t i a lg r a p h i ce x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，美国a n s i 协会制订的标 准) ； ( 2 ) s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，i s o 国际标 准) 等。 铸造模拟技术可以对铸造过程( 流动及凝固) 进行较为准确的预测，既可为 实际铸造生产服务，也可作为科研开发的一种有效工具。事实己证明，铸造模 拟对于优化铸造产品设计，提高质量和缩短开发制造周期起着重要的作用。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 2 2 国内外铸造仿真模拟发展概况 近年来国内外相继开发出许多不同类型的铸造模拟软件，按发展过程可大 致分为三代：第一代模拟软件只能用简单的模数计算方法模拟热流动，不能模 拟某一时刻螺旋套特定区域温度变化；第二代模拟软件基于温度场计算，可以 以时间为参数显示螺旋套的温度变化，但没考虑凝固过程液体流动和密度变 化，也没考虑不同合金的凝固特性；第三代模拟软件则考虑了温度场计算、凝 固期间液体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响【1 5 1 。 铸造过程的数值模拟技术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。经历了数十年的努力，先后经过基础研究阶段、预测研 究阶段和优化研究阶段，取得了很大的进展，部分技术已进入工程实用化阶 段。尤其是温度场的模拟技术已经比较成熟。本节对国内外的研究现状做一简 要介绍。 国外在充型、凝固过程数值模拟方面的研究开展的较早。最早用于铸造过 程模拟的是美国哥伦比亚大学的“h e a ta n dm a s sf l o wa n a l y z e r 分析单元，基于 此分析单元v i c t o rp a s e h k i s 于1 9 4 4 年在砂模上做了热传导分析，其很多研究成 果发表在a f s 公报上【1 6 】。1 9 5 4 年，s a r j a n t 和s l a c k 计算了铸铁块内部温度分 布，并使用数值方法计算了瞬时二维热流。在1 9 6 2 年，丹麦学者f u r s u n d j 就 首次采用有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) 对二维形状的铸件进行了凝固 传热过程的计算。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u6 j 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 果相当接近。随后，世界各发达国家相继开展了这方面的研究。 但f d m 法无法追踪金属充型时的自由表面，所以在2 0 世纪8 0 年代早 期，一种被称为流动体积法( v o l u m eo ff l o w ：v o f ) 由h i r t 和n i e h o l a s 引 入，把流动体积函数作为主要参数，用来追踪流动自由表面。 1 9 7 3 年挪威的v i c t o rd a v i e s 等人在充型铝制品时，将f d m 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 科学试验室开发了计算机 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，实现了凝固模拟技术铸型剖面的可视化【17 1 。 国内的铸造数值模拟研究工作始于7 0 年代后期，经过3 0 余年的研究与发 展，先后开发了一系列凝固模拟软件，这些软件在国内的冶金，重型机械、汽 哈尔滨理工人学t 学硕i ：学位论文 车、船舶、电力机械和航天等行业的铸造生产厂家使用，解决了许多实际问 题。华中理工大学的i n t e lc a s t - 华铸c a e 采用f d m 方法，以铸件充型过程、 凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材 质、多种铸造方法下铸件的凝固分析、流动分析及铸件的缩孔、缩松预测。沈 阳铸造研究所与韩国生产技术研究院合作开发了zc a s t 铸造c a e 系统，采 用f d m 法，具有自动网格生成、优化充型、凝固求解、微观组织求解及先进 的后处理等功能。哈工大的c a s t - 3 d 以美国s d r c 公司的i - d e a s 软件作为 前处理平台，采用直接差分法开发了适用于各种材质的凝固模拟软件，具有较 强的后处理功能。中科院金属研究所的数值模拟软件采用f d m 法，通过创建 o p e n g l 通用正交立方体，利用o p e n g l 的r g b a 色彩模式及自动差值方法， 以及o p e n g l 的各种变换，逼真地从各个角度和切面位置反映了铸件凝固过程 的各变量在三维空间的分布。此外，国内的大连理工大学、哈尔滨理工大学、 北京航空航天大学、西安交通大学等单位都对凝固模拟技术进行了大量的研 究，开发了相应的应用软件。建立了更多的模拟过程与计算模型，这些模型可 进行充型模拟，预测充型温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸 件质量的影响。8 0 年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用，8 0 年代后期， 充型模拟快速发展，这使得铸造厂家能有效利用充型系统消除由流动引起的铸 造缺陷，对凝固和补缩能产生一个最佳的温度分布，提高了铸件质量和产率。 9 0 年代后期，发展了微结构模拟，它除了对冶金学有更深意义的影响外，还能 预测和控制铸件的机械性能。此后不久，人们通过对流和扩散模拟认识了熔融 金属液体在生长的枝晶臂间流动的过程1 1 8 1 。9 0 年代后期，对应力和变形的模拟 研究，更有利于控制铸件的扭曲变形，减少残余应力，最大程度地消除热裂纹 和裂缝，减少模具变形，提高了模具的使用寿命。 凝固模拟技术的发展从其模拟的方式来看，经历了一个从二维到三维，模 拟的铸件从简单到复杂的过程。早期的凝固模拟一般使用大型机进行计算，而 采用的数值解析方法是有限差分法( f d m ) 和有限元法( f e m ) 。后来又出现 了控制体积法( f v m ) 和直接差分法。其研究的重点集中在数值模拟的计算方 法、各种缺陷的判据、影响模拟精度的各种因素。 历史上，对f d m 的另一支持源于将充型过程引入铸造问题。基于f d m 的计算机程序开始用于处理流体流动问题f 1 9 】，同时，人们认为f d m 为解决流 体流动问题的最佳解法。事实上，与f d m 相比，第一代有限元模型在该领域 中的应用表现较差f 2 0 1 。在1 9 9 5 年的标准检测中，得出用有限蓄分法进行充型 计算比用有限元法要好的结果f 2 。 哈尔滨理工人学工学硕卜学位论文 有限元法开始主要用于结构力学方面的研究。人们把物理系统划分成若干 个子区域组成的网格，井在网格系统内寻求近似解。这些子区域就称有限元， 与此有关的数值方法则称为有限元法。有限元法网格剖分的意义与有限差分法 相同，都是旨在将求解的连续区域离散化，但具体方法则大不相同。在有限差 分法中，一般取规则的矩形网格，用阶梯形网格来代替不规则的曲线边界，当 网格取得足够小时，近似的效果可以满足实际工程问题对精度的要求。在有限 元法中，一般取三角形网格，三角形的形状与疏密程度可任意变化，这样不仅 在处理更为灵活，对复杂形状的物体尤能显示其优点。但与此同时，这种剖分 上的任意性又为单元信息的处理，例如节点的编号、定位及计算等带来很多麻 烦。与f d m 相比，剖分同样数量的网格，f e m 要占用更多的机时。 控制体积法( f v m ) 在流体流动与传热计算领域应用广泛，但在充型、凝 固模拟中并未得到广泛的应用f 2 2 3 i 。h i r s c h 详细地描述了f v m 的基本特征是 使用任意形状的网格并在离散化的控制体积之上应用守恒定律。比利时的 f m a m p a c y t 2 4 1 介绍了用于模拟铸造过程的f v m 的观点，并将其与传统的f d m 和f e m 进行了比较。与f d m 相比，f v m 的剖分仍存在网格生成技术过于复 杂的问题。 另外一种比较常用的数值模拟解析方法是直接差分法。该方法是由日本学 者大中逸雄【2 5 1 提出的。他认为，在充型、模拟中普遍采用的矩形六面体单元会 导致一些较大的误差，剖分后产生的台阶对流体流动行为的影响是显而易见 的。为此提出了一种采用非结构化和非正交网格单元的直接差分新方法，能够 克服上述边界上的计算误差。从理论上讲，直接差分法也是有限差分法的一 种。直接差分法具有物理意义明确，差分格式简单的优点，同时直接差分法的 网格划分比较灵活，具有较强的适应性【2 6 - 3 1 i 。 1 2 3 铸造过程计算机模拟的研究应用现状 目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4 个方面【3 2 】： 1 充型、凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三 维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展 趋势是辅助设计浇注系统。 2 缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用g r u 2 ，是将其由二维扩展到 三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节 法进行缩孔、缩松的预测【3 3 3 4 1 。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 行i ”】。 3 凝固过程应力模拟【3 6 i 。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而 液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心【3 7 1 ，许多铸造缺陷如缩 松、缩孑l 、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困 难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难 点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大 都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如a n s y s 等进行二 次开发【3 8 】，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性 模型等【3 9 1 。对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据， 也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进 一步研究【4 0 i 。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了 新的方向【4 1 i ，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性 体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地 反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程 中尤其是准固相区的流动及变形规律【4 2 4 3 1 。另一种方法是将有限差分法和有限 元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力【4 4 1 。 4 凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充 型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，己成为 材料科学的研究热点之一。这些方法虽能在一定程度上比较准确模拟合金的凝 固组织【4 5 】，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此 离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模 拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等1 4 6 4 7 j 。现有研究领域中球铁 的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观藕合模 拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路 4 8 - 5 0 1 。 1 3 常用铸造过程模拟软件比较及应用 1 3 1 常用铸造过程模拟软件比较 铸造过程模拟软件很多，其中以美国u e s 公司开发的( 现属法国e s i 公 司) p r o c a s t 软件最为有名，美国铸造协会的产品a f s ，f l o w 3 d ， a n y c a s t i n g 等也都有着较为广泛的应用。这些铸造过程模拟软件的共同之处是 都有很强的模拟分析能力，可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 过程，也可以对有关参数进行精确计算 4 8 - 5 0 j 。 国内外商用化软件越来越多地应用于生产实践，其功能和使用范围也进一 步加强和扩大，做到以铸造理论为指导，以计算机模拟为手段，控制凝固过程 及预测缩松缩孔及裂纹等缺陷。铸件充型、凝固过程计算机数值模拟发展已进 入工程实用化阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。以下是从不同 文献中得到的表【5 1 1 1 1 列举了目前世界上几款主要的铸造过程模拟软件及其主 要特性。虽然所列不完全一致，但这些铸造过程模拟软件代表了当前世界上的 主流模拟软件。 表1 1 世界知名铸造过程模拟软件的主要功能 t a b l el - lt h em a j o rf u n c t i o no fe a s t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o ns o f t w a r ek n o w ni nt h ew o r l d 软件名称软、硬计主要功能铸造方法铸造合金 件算 a f s o l i d 微机 f 几何建模，充型凝固 砂型、壳型、金属所有铸造合 ( p c ) d 模拟型和熔模铸造 金 d o sm c a m 工作站f 几何建模，充型凝砂型、金属型和熔 铝、钢和铸 c a s t su n i x e 固、铸造微观组织模模铸造铁 i m u l o rm拟 p r o c a s t 工 作 f 几何建模，充型凝砂型、压铸、消失所有铸造合 站、e 固、铸造微观组织模 模铸造、反重力、金 u n i x 和m拟、残余应力模拟 离心、连续、倾斜 p c 等浇注方法以及定 向凝周和单晶熔模 铸造 c a s t c a e 工作站 f 几何建模，充型凝砂型、壳型、v所有铸造合 u n i xd 固、铸造微观组织模法、熔模铸造和 金 p c ，i n dm拟 r e p l i c a s t o w s n t 月忻n d o w s c a s t v i e w工作站 f 几何建模，充型凝砂型、金属型、压钢、铁、 u n i xe固、铸造微观组织、铸和低压铸造铝、锌、 m残余应力模拟 铜、铅等 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 续表1 1 软件名称软、硬件计算 主要功能 铸造方法铸造合金 f l 0 、 ，_ 3 d 所有计算儿何建模，充型凝所有合金 机固、铸造微观组织 包括实型铸造 模拟 在内的所有铸 造方法 m a g m a工作站f d m 几何建模，充犁凝砂型、金属钢、铁、铝 u n i x i 古| 、铸造微观组织型、压铸和低和其他有色 模拟、残余应力模 压铸造合金 拟、螺旋套和铸型 变形模拟 f d m 儿何建模、凝固模全部中立铸造 ia 、，i s d l ap c ，w i n d o 拟和压铸过程中的m a v i s 压铸 n aw s 尺寸变化 d l a n a f a s s a g e p 工作站 f e m 几何建模，充型凝全部铸造方法所有铸造合 o u n i x 或超固、铸造微观组织金 、e r c a s t 级计算机模拟 s o l s t a rp c d o sf d m s o l d i sp c d o s 儿何建模，充型凝砂型、金属 d f d m 固模拟型、压铸和低 铸钢、铸 压铸造、熔模 铁、不锈 铸造、倾斜浇 钢、铝、铜 注、热处理 及其他合金 从目前的铸造过程模拟软件应用来看，主要是国外的软件占主要地位并且 代表了计算机数值模拟的最高水平。这些软件基本可以模拟以砂型为代表常用 的铸造工艺。常用的国外软件有芬兰的c a s t c a e 4 0 ，美国的f l o w 3 d ， p r o c a s t 和德国的m a g m a s o f t 等。 国外铸造过程模拟软件虽然各有特点，各有侧重，但基木都可以完成充型 模拟、凝固分析、残余应力和变形分析，p r o c a s t 等软件也能对铸件缺陷和性 能预测等内容进行分析，m a g m a s o f t 和p r o c a s t 则可以进行铸件的显微组织分 析，这也正是这一研究领域的发展方向。 1 3 2 当前计算机模拟软件存在问题及前景 1 3 2 1 当前计算机模拟软件存在问题到了2 1 世纪，尽管在过去几十年里， 铸造过程模拟己经取得了大量有价值的成果，我国铸造数值模拟技术得到了飞 速的发展，但一些重要的研究仍旧在困扰着研究人员，但也还有一些问题需要 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 解决。 1 铸件充型过程模拟还没有找到一个最好的算法，砂型铸造模拟仍占主导 地位，其它形式的模拟已经起步，辅助设计浇注系统是充型模拟的一个发展趋 势： 2 缩孔、缩松的预测是大多数凝固模拟软件的主要功能之一，铸钢件缩 孔、缩松的判据已经十分有效，球墨铸铁缩孔、缩松的预测方法一部分投入使 用，但模拟数据库仍然不全，需要不断添加完善； 3 铸造应力场及热裂模拟虽然取得了一定的进展，但整体离实际应用还有 一定的距离； 4 微观组织模拟是目前研究的热点，研究方法主要有确定性法、概率论法 和相场法。在实际生产中推广应用还需要解决建立实际合金的晶粒生长模型及 完善模型、优化算法、减少计算量等问题。 1 3 2 2 当前计算机模拟软件的发展前景计算机模拟作为铸造行业发展的必 由之路，未来的模拟软件发展应有如下特征： 1 它必须能预测该工艺过程能产生哪些问题，铸件中缺陷( 气孔、缩孔、 冷隔、夹杂、砂蚀和热裂) 的位置，以及如何在综合考虑不同生产细节的前提 下，采用合适的方式解决这些问题； 2 需要在模拟中考虑更多的影响因素，建立更加完善符合实际情况的宏观 和微观相统一的模型，并日开发更加完善的既侧重铸造工艺又有友好可视前后 处理界面图形的软件； 3 需要进一步完善模型，优化算法，制定精确高效的数值计算方法，并且 要建立起准确全面的凝固传输物性参数库； 4 在未来很长时一期内，凝固模拟作为一个有力的工具，仍然需要有实践 经验的工艺设计师使用才能发挥其作用与潜力； 5 在网络化环境下，将设计、模拟、制造、评估等环节并行集中为一个系 统应是重点发展方向，也是快速产品研发、提高铸件质量的科学方法。铸造凝 固过程模拟是一个很复杂的过程，如果仅仅从能量方程进行凝固的数值模拟， 而忽略充型中的流场与温度场的瞬态变化或对其作假设简化处理，都会对凝固 过程的温度场的计算的准确性造成很大的影响。同时，充型过程中所发生的金 属液流动与许多铸造缺陷有密切的关系，如冷隔、气体卷入、缩松和宏观偏析 等【52 5 3 。 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 1 4 主要研究内容 根据螺旋套c a d 零件图纸，进行砂型及离心铸造的三维实体造型。将模拟 螺旋套件导入a n y c a s t i n g 数值模拟软件，进行模拟前处理：网格划分；设置边 界条件；合理工艺参数等；根据选定模拟试验不同工艺进行数值模拟试验，然 后进行缺陷预测。 1 砂型铸造模拟试验螺旋套的充型、凝固过程、温度场分布。根据模拟结 果分析预测螺旋套产生缺陷的位置，与实铸砂型螺旋套缺陷对照，确定软件的 可靠性； 2 根据砂型铸造模拟试验的不同重力浇注速度进行模拟试验； 3 根据树脂砂金属型复合离心铸造工艺的不同离心转数进行计算机数值 模拟试验； 4 根据金属型离心铸造工艺不同转数和不同模具预热温度进行计算机数值 模拟： 根据以上模拟试验结果，预测缺陷的位置与大小，找出一个最优铸造工 艺，减少甚至消除缺陷，确定其工艺参数，达到改善螺旋套质量的目的。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 2 1 数值模拟 第2 章数值模拟基础理论知识 近年来，铸造c a e 商品化软件逐渐增加，其中主要有美国的p r o c a s t 、 德国的m a g m a s o f t 、芬兰的c a s t c a e 、法国的s i m u l o r 、西班牙的f o r c a s t 及日本的s o l d i a 、c a s t e m 等软件。从功能上看，许多软件大都基于有限差分 法，可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度 场、流场的数值模拟，并可以预测螺旋套的缩孔、缩松等缺陷，但对应力场的 模拟及裂纹的预测显得力不从心。 a n y c a s t i n g 软件考虑了气体、过滤、高压、旋转等对螺旋套充型的影响， 能够模拟出砂型铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程； 在应力分析方面，使其具有分析铸件应力、变形的能力。通过分析可以获得铸 造