（机械设计及理论专业论文）水轮机叶片的水玻璃砂型铸造过程数值模拟研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 堑丝旦监 日期：上址年上月阜日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：幽各导师签名鲻日期：兰年上月上日 中南大学硕士学位论文 摘要 铸造过程计算机模拟与仿真是铸造学科发展的前沿领域。铸造过 程的数值模拟可以帮助工程技术人员预测铸件缺陷，确保铸件质量， 降低生产成本。大型水轮机叶片由于截面尺寸大，三维曲面复杂，具 有小批量生产的特点，其内部的组织结构缺陷不可能通过反复的生产 实验来加以改善和控制，因此需要通过数值模拟优化工艺设计，确保 叶片铸件质量。本文主要研究内容如下： 1 、砂型热物性参数和界面换热系数是决定铸造过程仿真模拟结 果准确性的重要因素。为获得水玻璃砂准确的热物性参数和界面换热 系数值，本文采用浇注法，通过自行设计试验装置，实测水玻璃砂型 温度变化曲线，结合反算法测得水玻璃砂的热物性参数，建立了该工 艺条件下水玻璃砂的热导率和比热数学模型。并在此试验基础上，通 过p r o c a s t 反求模块进行逆运算，得到水玻璃砂与铸钢材料界面换 热系数值。 2 、利用p r o c a s t 软件对水轮机叶片铸件钢液充型过程的流场进 行了数值模拟，对传统浇注系统和改进后的浇注系统分别进行了模拟 分析，结果表明传统浇注系统浇注过程容易使钢液发生紊流状充型， 而改进后的浇注系统充型平稳。 3 、对水轮机叶片凝固过程的温度场进行了数值模拟，预测了水 轮机叶片铸件容易产生缩孔、缩松的位置全在冒口处，叶片铸件本体 无缺陷，证明了铸造工艺的合理性；对水轮机叶片凝固过程的应力场 进行了数值模拟，预测了凝固过程中应力场对叶片铸件变形量的影 响，并指出叶片铸件本体发生的最大变形量和变形位置，为叶片铸件 生产过程中变形量的施加提供了指导意见。 本文测得的水玻璃砂热物性参数和界面换热系数值，可以为大型 铸件在模拟铸造过程中边界条件的确立提供参考，同时期望水轮机叶 片铸件铸造过程的模拟仿真对实际生产具有指导意义。 关键词：水轮机叶片，数值模拟，水玻璃砂，热物性参数，温度场 摘要 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t c o m p u t e rs i m u l a t i o no fc a s t i n gp r o c e s s e si st h ev a n g u a r do ff o u n d r y f i e l d s n u m e r c i a ls i m u l a t i o no fc a s t i n gp r o c e s s e sc a nh e l pe n g i n e e r s p r e d i c tc a s t i n gd e f e c t s ，e n s u r e t h e q u a l i t yo fc a s t i n g s a n dr e d u c e p r o d u c t i o nc o s t l a r g e t u r b i n eb l a d ed u et o l a r g e s e c t i o ns i z ea n d c o m p l e x3ds u r f a c ew i t h s m a l lb a t c hp r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i t s i n t e m a l o r g a n i z a t i o n a l s t r u c t u r ed e f e c t sm a yn o tt h r o u g hr e p e a t e d p r o d u c t i o ne x p e r i m e n t st ot r yt oi m p r o v ea n dc o n t r o l ，t h e r e f o r en e e d t h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o nd e s i g nt oe n s u r e t h eb l a d ec a s t i n gq u a l i t y t h es u b s t a n t i a lc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o nc a n b el i s t e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h e s a n dt h e r m a lp h y s i c a lp a r a m e t e r sa n di n t e r f a c eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta r et h ei m p o r t a n tf a c t o r st od e c i d et h ea c c u r a c yo f c a s t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nr e s u l t s i no r d e rt oo b t a i nt h et h e r m a lp h y s i c a l p a r a m e t e r sa n di n t e r f a c eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tv a l u eo ft h es i l i c a t e s a n d a c c u r a t e l y , t h i sp a p e ra d o p t i n gp o u r i n gm e t h o d ，t h r o u g h s e l f - d e s i g n e de x p e r i m e n t a ld e v i c ea n dt h em e a s u r e ds o d i u ms i l i c a t es a n d t e m p e r a t u r ev a r i a t i o nc u r v e ，m e a s u r e st h e r m a lp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h e s i l i c a t es a n d u s i n gi n v e r s ea l g o r i t h m ，a n de s t a b l i s h e st h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n ds p e c i f i ch e a tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es o d i u ms i l i c a t e s a n di nt h ep r o c e s sc o n d i t i o n s a n di nt h i se x p e r i m e n t a lb a s i s ，u s i n gt h e i n v e r s em o d u l eo fp r o c a s ts o f t w a r et oc a l c u l a t ei h t c ，t h ei n t e r f a c e h e a tt r a n s f e rc o e 衢c i e n tv a l u eb e t w e e nt h es i l i c a t es a n da n dac e r t a i ns t e e l m a t e r i a l s e c o n d l y , t u r b i n eb l a d ec a s t i n gf i l l i n gc o u r s eh a sb e e ns i m u l a t e d u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb yp r o c a s ts o t t w a r e t h ec o m p a r a t i v es t u d y o fs i m u l a t i o no ft r a d i t i o n a lg a t i n gs y s t e ma n do p t i m i z e dg a t i n gs y s t e m i n d i c a t et h a tt r a d i t i o n a lg a t i n gs y s t e mh a st u r b u l e n tf r o mf i l l i n gi nm o l t e n s t e e l w h e nu s i n go p t i m i z e dg a t i n gs y s t e m ，m o l t e ns t e e lf i l l ss t e a d y t h i r d l y , t e m p e r a t u r ef i e l do fs o l i d i f i c a t i o no ft u r b i n eb l a d ec a s t i n g w a ss i m u l a t e d t h el o c a t i o no fs h r i n k a g ec a v i t ya n ds h r i n k a g ep o r o s i t y w a sp r e d i c t e da l li nr i s e rp l a c e ，w h i c hp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo fc a s t i n g i i i 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o c e s s ；t h es t r e s sf i e l ds i m u l a t i o nd u r i n gs o l i d i f yp r o c e s so fh y d r a u l i c t u r b i n er u n n e rb l a d ec a s t i n gw a sm a d e t h ed e f o r m a t i o no fc a s t i n g c a u s e db ys t r e s sf i e l dw a sp r e d i c t e d ，a n dp o i n t e do u tt h ei n f l u e n c eo f m a x i m u md e f o r m a t i o no fb l a d e c a s t i n g a n dd e f o r m a t i o nl o c a t i o n f o l l o w i n gt h er e s u l t ，t h eo p p o s ed e f o r m a t i o na l l o w a n c ei nt h ep r o d u c t i o n p r o c e s so f t h eb l a d ec a s t i n gw a sa d d e d t h em e a s u r e dt h e r m a lp h y s i c a l p a r a m e t e r s a n di n t e r f a c eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tv a l u eo ft h es o d i u ms i l i c a t es a n di nt h i sp a p e r , c a n p r o v i d e r e f e r e n c ef o rl a r g ec a s t i n g si ns i m u l a t i o no fc a s t i n gp r o c e s sw h e n b o u n d a r yc o n d i t i o n sn e e dt ob ee s t a b l i s h e d ih o p et h ec a s t i n gp r o c e s s s i m u l a t i o no ft u r b i n eb l a d eh a s g u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o r p r a c t i c a l p r o d u c t i o n k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n er u n n e rb l a d e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， s o d i u ms i l i c a t es a n d ，t h e r m a lp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，t e m p e r a t u r ef i e l d 中南大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 铸造数值模拟技术的发展现状及趋势1 1 1 1 铸造数值模拟的研究内容1 1 1 2 铸造充型、凝固过程模拟仿真研究现状2 1 2 铸造工艺c a d 技术概述。4 1 3 模拟仿真用材料性能参数研究现状5 1 4 课题来源及研究目的7 1 5 本论文研究内容8 第二章铸造c a e 数值模拟技术9 2 1 铸件充型过程数值模拟技术9 2 1 1 充型过程计算机数值模拟概述9 2 1 2 充型过程数值模拟的数学模型9 2 1 3 铸件充型过程数值模拟常用方法。l o 2 2 铸件凝固过程温度场数值模拟技术1 2 2 2 1 铸件凝固过程传热数学模型1 2 2 2 2 导热过程的定解条件1 2 2 2 3 铸钢件凝固过程缩孔、缩松预测1 5 2 3 铸造过程应力场数值模拟技术18 2 3 1 铸件热应力形成过程和分析方法1 8 2 3 2 热弹塑性模型本构方程l9 2 4 本章小结2 1 第三章水玻璃砂型热物性参数的测定2 2 3 1 水玻璃砂型传热过程温度场测试2 2 3 1 1 测试目的和测试方法2 2 3 1 2 测试装置设计2 3 3 1 3 测试材料及仪器2 4 3 1 4 试验过程及结果2 7 3 2 砂型热物性参数的测定3 0 3 2 1 一维导热基本数学模型及反算方法3 0 3 2 2 水玻璃砂比热容计算3 l 3 2 3 水玻璃砂热导率计算。3 3 3 3 本章小结3 5 第四章铸型界面换热系数的反求计算3 6 4 1 前言3 6 4 2 界面换热系数的反求计算3 6 4 2 1 反求计算原理3 6 4 2 2 三维有限元模型的建立3 7 v 中南大学硕士学位论文 目录 4 2 3 反求计算参数设置3 8 4 2 4 界面换热系数反求结果4 1 4 3 本章小结4 4 第五章大型水轮机叶片铸造过程数值模拟及浇注系统改进4 5 5 1 水轮机叶片的三维实体建模4 5 5 2 水轮机叶片冒口和浇注系统的设计4 6 5 2 1 叶片冒口的设计4 6 5 2 2 叶片浇注系统的设计4 6 5 3 叶片铸件充型过程流场模拟分析4 8 5 3 1 数值模拟前处理4 8 5 3 2 流场模拟结果分析4 8 5 4 叶片铸件浇注系统改进5 0 5 5 改进浇注系统后叶片铸件的数值模拟结果5 1 5 5 1 充型过程模拟分析5 l 5 5 2 凝固过程温度场模拟分析5 2 5 5 3 凝固过程应力、变形分析5 4 5 6 本章小结5 7 第六章全文总结与展望5 8 6 1 主要研究工作及结论5 8 6 2 研究中存在的问题及展望5 9 参考文献6 0 至| 【谢6 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 5 v i 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 铸造数值模拟技术的发展现状及趋势 1 1 1 铸造数值模拟的研究内容 铸造是一门传统和古老的生产技术，它有着四千多年的历史。我国是铸造生 产的大国，根据有关报道，我国2 0 0 7 年铸造生产产量已经达到2 8 0 0 万吨，跃居 世界首位。随着欧美等发达国家制造业逐步向发展中国家( 如东南亚) 和地区的 转移，我国的铸造业一定会得到更大规模和更快速度的发展。目前我国的铸造生 产技术水平还很落后，人均产值不到4 万元，所以要成为世界铸造强国，就一定 要有创新，采纳新技术，掌握关键核心技术；铸造过程包含热量、质量和动量等 复杂的传递，这么复杂的传递过程，影响因素很多，只有建立数学模型，通过计 算机仿真的方法，模拟铸造过程中发生的各种现象，并总结规律，从而指导生产 实践【1 1 0 数值模拟也就是计算机模拟，它是指利用一组控制方程来描述一个过程的基 本参数变化关系，通过数值求解，来获得对该过程的定量认识，通过对该过程进 行动态模拟分析，从而达到优化工艺或预测缺陷的目的。最近这些年，计算机技 术突飞猛进，许多铸造软件应运而生。许多有名的铸造企业都采用了这些软件， 效果是很明显的，他们提高了铸件的质量，同时又降低了相当多的生产成本。在 美国，很多研究机构和高校都采用了数值模拟的方法来对汽车、飞机和导弹等高 科技产品进行设计，而且越来越普遍。根据有关报道，采用数值模拟的方法对铸 造工艺进行设计可以缩短整个产品的试制周期4 0 、降低生产成本3 0 以及可以 提高所有材料利用率2 5 【2 训。 最近二十几年来，各国都对数值模拟产生了浓厚的兴趣，并且都投入了相当 大的人力、财力和物力，各国铸造研究者对铸造过程的许多现象进行行了深入的 研究，并取得了相当多的成果，铸造过程的计算机模拟主要包括以下几个主要方 面【4 吲： ( 1 ) 流动场模拟：即铸件充型过程的数值模拟。它主要是利用流体力学原 理，分析铸件的充型过程，从而可以达到优化浇注系统，预测卷气，夹渣，冲蚀 等缺陷的目的。 ( 2 ) 温度场模拟：即铸件凝固过程数值模拟。它主要是利用传热学原理， 分析铸件的传热过程及界面换热过程，模拟铸件的冷却凝固过程，从而达到预测 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 可能产生的缩孔、缩松等缺陷。 ( 3 ) 应力场模拟：利用力学原理，在温度场模拟的基础上，分析铸件的应 力分布，预测可能产生的热裂及变形等缺陷；铸件凝固过程的热应力数值模拟也 可以对铸件的残余应力和残余变形进行分析，为控制铸件尺寸精度提供依据。 ( 4 ) 流动传热耦合模拟：利用流体力学原理，在模拟充型过程的同时计算 传热，可以预测可能产生的浇不足、冷隔等缺陷。 ( 5 ) 组织模拟：可以分为宏观和微观组织模拟，它主要是根据凝固学原理， 利用一些数学模型来计算合金液形核数，枝晶生长速度和组织转变，从而预测铸 件性能；对铸件的凝固组织的形成过程进行数值模拟可以帮助预测铸件的力学性 能与铸态组织，并且能够获得铸件主要的工艺参数与凝固组织之间的定量关系， 这样可以为通过工艺控制来改善铸件的微观的组织形态提供可靠的依据。 1 1 2 铸造充型、凝固过程模拟仿真研究现状 经过数十年的发展，铸造充型、凝固过程的计算机模拟仿真已经发展成为了 铸造学科的前沿领域，并且已经从最初的理论阶段步入了现在的工程实用阶段， 它的作用是不可估量的，它改变了人们过去对铸造传统的理解，改变了凭借经验 去指导生产的观念。铸造工作者现在可以凭借理论作为指导，大规模的进行生产， 并且产品的质量还有保证。研究者可以利用模拟仿真来预测铸件的生产缺陷，并 及时的采取对策，优化铸造工艺，从而有效的降低生产成本【7 】。 铸造的充型过程是铸造生产的一个十分重要的阶段，我们所熟悉的许多铸造 缺陷，如夹渣、卷气以及缩孔等都与充型过程密切相关。为了能够控制充型过程 中金属液的流动方式以及充型的先后顺序，就要对充型过程进行计算机模拟。从 充型过程的数值模拟理论前后发展的历程来看，铸造工作者用的最普遍的方法是 s o l a v o f 法，许多的铸造模拟工作者都是在此方法的基础上，采取严谨的体 积函数这些模型处理流动过程中的自由表面的问题，并能够对模拟结果进行有效 的修正，从而保证了模拟的准确性哺- 9 1 。 1 9 8 7 年以前，由于受计算机发展水平的限制，铸造工作者所研究充型过程 的数值模拟仅仅针对的是一些二维的板类铸件，并且模拟过程中把金属液的流动 全部简化为层流的流动。到了1 9 8 7 年，中国的学者王君卿到丹麦的科技大学做 访问学者，他完成了把充型过程的模拟从二维到三维的转变，并且在模拟的过程 中加入了三维传热的计算，在这些基础之上，他还对比了二维s m a c 、s o l a v o f 及s i m p l e 算法，所有这些运算的结果表明，在所有的计算精度几乎没有区别的 情况下，s o l a v o f 在计算速度上明显优于其他两种算法【l o l 。在1 9 8 9 年，h j l i n 和w s h w a a g 把m a c 和s o l a 法结合起来运用于三维计算程序，并在此 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 基础上研发出了仿真软件。基本上在此以后，对铸件充型过程的模拟仿真已经进 入了三维的世界。在1 9 8 8 年，h j l i n 和w s h w a n g 在铸件的充型过程模拟中 引入了流体世界的能量守恒方程，并且实现了温度场和流程的耦合仿真，效果显 著，在同一年，r a s t o e h r 和c w a n g 也实现了温度场和流场的耦合计算，而 且在模拟金属液充型过程中考虑了热物性参数随温度变化的情况以及凝固收缩 等多种因素对充型模拟结果的影响，并且还成功的模拟出了冷隔等现象【1 1 1 3 】。 1 9 9 2 在，gu p a d h y a 和a j p a u l 等人把充型过程中金属液的流动以及所发生的 传热凝固等看成一个整体，并结合凝固动力学的理论，对铸件铸造过程中产生的 缺陷进行了有效的预测【1 4 15 1 。最近这些年，铸造研究者对充型过程进行数值模拟 时考虑的因素越来越多，而且模拟过程也越来越接近实际的生产环境，效果也越 来越明显。在当时，应力模拟很难实现，只存在于理论阶段，一直到1 9 9 3 年， 日本丰田汽车公司在计算机上对发动机缸体和轮毂进行了残余应力分析，才使铸 造过程应力场模拟应用于工程实用可行化。 与此同时，在国外出现了很多模拟铸造过程的软件，这些都引起了铸造研究 者的关注。1 9 8 9 年，在第七届国际铸造博览会在德国召开，在这个会议上，作 为世界上第一个铸造数值模拟的商品软件m a g m a s o f t 横空出世，它是由德国 a a c h e n 大学的s a h m 教授等研究开发的，以铸造过程的温度场分析为主要核心的 模拟软件。随后又出现了很多非常优秀的铸造c a e 商品化软件，如美国的 p r o c a s 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 等。从功 能上来看，这些模拟软件可以对砂型铸造、金属型铸造和压力铸造等很多种工艺 进行流场、温度场和应力场的数值模拟，并可以预测铸件缩孔、缩松、裂纹等缺 陷和铸件各部位的组织，提高模拟分析的精度，从而更贴近于实际生产【蛤1 7 】。 与国外相比，我国在铸造过程计算机数值模拟方面的研究起步比较晚，但也 取得了一些发展。1 9 7 8 年，在葛洲坝电站1 2 5 m w 大型水轮机叶片铸造工艺的研 究过程中，沈阳铸造研究所的铸造工作者王君卿、张毅等人开展了叶片铸件凝固 过程中温度场的计算机仿真研究【l 引。同一时间，大连理工大学的金俊泽等铸造 工作者也对大型船用铜螺旋桨铸件的凝固过程的温度场进行了数值模拟分析。流 场模拟方面，在1 9 8 7 年，沈阳铸造研究所的王君卿率先开展了研究，并且取得 了一些进展，之后，清华大学的荆涛、裴清祥、邱伟、高志强，哈尔滨工业大学 的孙逊、常庆明，华中理工大学的陈立亮、袁浩扬，中北大学的侯华、徐宏等人 都先后开展了大量细致而又相当深入的研究开发工作，目前，清华大学的f t s t a r 软件，中北大学开发的c a s t s o r 软件，华中科技大学的i n t e c a s t 软件等已经相继 在国内一些铸造企业推广应用【1 9 2 0 1 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 铸造工艺c a d 技术概述 在生产铸件之前，首先应该编制出能够控制这类铸件生产工艺过程的比较科 学的文件，这些就是所谓的铸造工艺设计，即是根据铸件的要求，包括生产批量 和生产条件，还有对铸件的结构分析，从而来确定铸造工艺方案、相关工艺参数 以及工艺规程，编制规范的工艺卡，并设计工艺装备的全部过程；在所有的铸造 领域，铸造工艺c a d 有着划时代的意义，它预示着铸造工艺发生了一场巨大的 变革和飞跃。对铸造工艺c a d 的研究和应用的最终目的是优化铸造工艺，以最 少的人力物力和最高的效率来获得质量最好的铸件，从而增强企业竞争力。 伴随着计算机技术的快速发展，计算机在铸造领域的应用越来越广泛，这就 使得铸造工艺c a d 系统逐渐形成和发展。1 9 8 3 年，在国际第五十届铸造会议铸 件凝固计算机模拟专题会议上，来自美国密执安大学的p e h l k e 教授以及佐治亚 工业大学b e r r y 教授在各自的报告中提出了铸造工艺c a d 系统的概念，并且认 为它是计算机模拟、几何模拟与数据库的有机结合；铸造工艺发展到现在，完整 的或者广义的铸造工艺的计算机辅助设计包括铸造的工艺设计以及工艺优化两 个方面，也即铸造工艺集成c a d ，见图1 1 。其目的是利用计算机来帮助铸造工 作人员优化铸造工艺，预测铸造缺陷，确定铸件铸造方案，估算铸件铸造成本等 【2 m 2 1 。经过十几年的探索和研究，计算机辅助设计在工业中得到越来越广泛的应 用，也为铸造工艺的科学化，精确化提供了良好的工具，称为铸造技术开发和生 产发展的重要内容之一。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图卜1 铸造工艺集成c a d 目前国内外研制和开发的铸造工艺c a d 系统，概括起来可以大致分为通用 和专用铸造工艺c a d 两类【2 3 - 2 4 1 。( 1 ) 通用铸造c a d 系统：主要用于普通砂型铸 造工艺的设计，又分为铸钢、灰铸铁、球铁及有色合金等种类，功能包括浇注系 统设计，补缩系统设计，分型面、拔模斜度、加工余量的确定，尺寸标注以及工 艺图及工艺卡的输出；( 2 ) 专用铸造c a d 系统：主要用于某些特定范围和特定目 的的铸造工艺设计，如压铸型c a d 、阀体类c a d 、齿轮类c a d 、机架类c a d 、 缸体类c a d 、曲轴类c a d 、叶片类c a d 、d i s a 造型线铸造工艺设计c a d 等。 1 3 模拟仿真用材料性能参数研究现状 对铸造过程进行计算机仿真时要用到材料的热物性参数，而这个参数对模拟 结果的准确性起着相当重要的作用，因此，为了获得准确的模拟结果，用于指导 实践生产，先要得到比较准确的热物性参数才行，但是材料热物性参数的获得又 是相当困难的，这也是当前影响铸造过程数值模拟的主要因素之一。 铸造过程数值模拟本身涉及的材料就有很多，而且用到的材料性能的性能参 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 数也比较广泛。在铸造过程数值模拟的初期阶段，主要是针对铸件的温度场进行 模拟仿真，这是主要用到的是材料的热物性参数。随着数值模拟应用范围变得越 来越广泛，用到的材料性能参数也就越来越多，就不止限于热物性的范围。总的 来说，目前对铸件铸造过程进行模拟仿真主要用到的材料性能参数可以分为几 类，包括充型凝固模拟用性能参数、微观组织模拟用性能参数以及热应力分析用 性能参数等。具体来讲，主要有材料自身的物理性参数，比如密度等；与传热相 关的热物性参数，比如比热容、导热系数以及比焓等；与铸件收缩有关的参数， 比如线收缩系数和体积收缩系数；与液体流动相关的参数，比如表面张力、粘度 等；与组织变化有关的参数，比如溶质扩散系数、相变温度等；与力学性能相关 的参数，比如泊松比、杨氏弹性模量、屈服应力等，以及和电磁相关的参数，比 如电导率等【2 5 之6 】。 铸造过程涉及很多材料，有造型材料、铸件材料、造芯材料等，这些材料有 着本质的区别，概括一下，可知铸型材料大多为型砂和金属材料，铸件材料基本 为金属材料等，而型砂又是由很多种材料混合而成，大多都包括原砂、水、粘结 剂和其它添加剂等组分，比如经常用到的湿型砂就是有原砂、水、粘土和煤粉等 组成。对于那些有很多种材料机械性的组合在一起的材料，在数值模拟中基本只 用得到它们的表观参数。对于铸件材料，在铸造过程中会随着温度的改变，其存 在形态会经历三种转变，分别为液态、固液两相区和固态 2 6 1 。而铸型材料也会 在铸造过程中发生一些改变，如水分的蒸发等，所以铸型的热物性参数会随着温 度的改变而变化。 本文主要是研究铸造过程中与传热有关的热物性惨，如导热系数、比热容等， 并通过自行设计的试验装置，求得与传热过程相关的水玻璃砂型的热物性参数。 其实国内外很多学者都曾经做过类似的试验来求砂型热物性参数，早在上世纪七 十年代中期，美国密歇根大学的r d p e h l k e 等研究者【2 7 锄】通过试验求得型砂的 热物性参数是温度的函数，并把它应用于模拟仿真当中，使模拟精度得到了相当 大的提高；还有日本的铸造专家久保公雄等人采用浇注铸铝、铸钢以及铸铁的方 法测得了不同条件下的型砂的热物性值 2 9 j 。 随后，我国很多铸造学者也不甘落后，相继开展了对热物性的试验研究工作， 并取得了可喜的成果。比如大连理工大学的王意等铸造研究者自行设计了一套实 验装置，把金属铝液浇注入特定的砂型，用这种方法测得了特定砂型的表观导热 系数值，并且得到了一些重要的结论，如型砂的表观系数值跟砂型的紧实度有一 定的关系，砂型越近似，表观系数值就越大，还有砂型中水分的迁移会相应的提 高砂型的导热能力等【3 1 】；华中理工大学的涂明武【3 2 】等教授同样利用浇注法可 以测试型砂相关的热物性参数的基本原理，也自行设计了特定的测试装置，并反 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 复做了很多实验，求出了一些重要热物性参数，并对实验的误差进行了研究分析 【3 3 】；上海交通大学的高德明等铸造学者【3 4 】考虑了实际生产中可能存在的一些重 要因素，通过浇注铝液得到砂型温度曲线，然后利用反算法求得了型砂的热物性 参数，这些接近实际的参数可以运用到实际的铸造数值模拟当中去；当然还有重 庆动力工程学院的杨晨【3 5 】等研究者在以上那些上的基础上建立了一种新的方法 来预测材料的热物性值，这种方法主要是通过应用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 迭代过 程求解这些非线性热传导逆问题来实现求解物性参数的。当然对于那些基于瞬态 实验方法的材料热物性值预测，这种方法具有很好的适用性，并且可以用于分析 多类逆传导问题。 1 4 课题来源及研究目的 本文旨在借助所设计的试验和仿真，建立水玻璃砂型热物性参数和铸件一铸 型边界条件数据库，解决大型铸件在铸造过程仿真中边界条件数据库缺乏问题； 通过铸造过程的流场和温度场模拟，优化典型铸件的浇注系统，为生产高质量的 大型铸件奠定基础。 随着我国能源、冶金等行业的快速发展，设备大型化趋势迫切需要配套大型 铸件及大型锻件所需优质钢锭。目前，我国大型铸件制造水平还不高，许多大型 关键及高端铸件依赖进口，大型铸件具有单件小批量生产的特点，不允许通过反 复试验、不断调整工艺进行生产；借助铸造过程的计算机模拟仿真，可为制定最 佳的工艺方案、确保大型铸件质量提供依据，并可缩短试制周期，降低生产成本。 边界条件数据库的缺乏成为铸造过程模拟技术的主要瓶颈之一，为此，国家十分 重视，投入了大量的人力和财力。本课题来源于国家重大专项“高档数控机床与 基础制造装备”的子课题“大型高质量铸件的材料冶炼与成型控制技术 ( 编号： 2 0 0 9 z x 0 4 1 0 1 4 0 6 1 ) ，本文拟通过反算法求得水玻璃砂型热物性参数，采用 p r o c a s t 软件的反求模块求得铸件一铸型界面换热系数，并对界面传热机理进行 分析；通过有限元模拟仿真研究大型水轮机叶片铸造过程的流场和温度场，并优 化浇注系统，分析有可能产生的缩孔、缩松等铸造缺陷，以求指导实际生产。 7 第一章绪论 本文拟采取理论分析、实验、计算机模拟相结合的方法，验证理论分析模型 和计算机模拟技术指导大型高质量铸件制造的正确性和可行性，揭示铸造过程多 界面传热机理，为大型高质量铸件的生产提供技术支撑。主要研究内容安排如下： 第一章：简要概述了国内外铸造模拟技术发展和应用现状，阐述了铸造c a d 工艺技术的发展历程以及材料热物性参数的研究发展现状。 第二章：介绍铸造过程数值模拟技术所运用的基本理论和方法，分析铸造过 程流场、温度场和应力场的影响因素，研究铸件缩孔缩松缺陷的形成机理和判断 依据。 第三章：介绍测定型砂热物性参数的方法，设计试验装置，测得铸件和型砂 中测温点的温度数据，采用反算法求得水玻璃砂的热物性参数。 第四章：利用p r 0 c a s t 铸造软件中的反求模块，以求得水玻璃砂型界面换 热系数，并分析不同的界面换热系数对仿真结果的影响。 第五章：建立大型水轮机叶片的三维模型，运用p r o c a s t 软件对水轮机叶 片铸造过程的流场、温度场和应力场进行模拟分析并改进其浇注系统，预测铸造 过程中可能产生的缩孔缩松等铸造缺陷，为实际生产提供依据。 第六章：全文总结。对论文的主要工作、研究结论、创新点、存在的问题及 今后的研究方向进行阐述。 8 中南大学硕士学位论文 第二章铸造c a e 数值模拟技术 第二章铸造c a e 数值模拟技术 2 1 铸件充型过程数值模拟技术 2 1 1 充型过程计算机数值模拟概述 在铸件的充型过程当中会产生一系列的物理和化学的变化，如传热、氧化、 热损失等，这些变化会直接影响铸件的生产质量，因此铸件铸造生产过程中产生 的许多缺陷都与铸件的充型过程密切相关，所以对铸件的充型过程进行研究也就 显得相当重要。但是很久以来，铸造工作者所进行的数值模拟主要集中在对铸件 凝固过程的研究上，忽略了充型过程，这就使得所进行的模拟只能预测凝固过程 中产生的缩孔缩松等缺陷，而不能够对充型过程中产生的冷隔、夹渣以及浇不足 等缺陷进行预测 3 6 - 3 7 。因此，为了更好的预测铸造缺陷，就要对铸件充型过程的 数值模拟进行有意义的研究，这样可以根据金属液流动状态优化铸造工艺，并为 后续的一些凝固模拟研究分析提供初始的温度条件 3 8 - 3 9 。 传统的凝固过程的数值模拟都是建立这一定的假设基础上的，比如假设铸件 “瞬时充满 ，铸件各部分的最初温度都为浇注的温度等。当然，对于比较厚且 大的铸件来说，这种假设还是比较合理的，但是对于那些相对来说的薄壁铸件来 说，这种假设就会带来一定程度的误差。因此，在有些情况下，必须对这些假设 进行修正，并且要考虑与充型过程相关的多种现象，这样才能准确的得到充型过 程的数值模拟结果，并且为凝固模拟提供可靠的初始条件，由此可见，充型过程 的数值模拟是的铸造过程数值模拟当中一个十分重要的组成部分 4 0 - 4 3 】。 2 1 2 充型过程数值模拟的数学模型 金属液充型过程是一个非常复杂的热交换过程，它伴随着热量的散失以及凝 固，并且金属液处于非恒温的流动运动，流动过程遵循质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律，因此，相应的可以采用连续性方程、动量方程、体积函数 方程和能量方程组描述这一过程【“。4 6 1 。 质量守恒定律可表达为：单元控制体内质量的增加等于其周围单元流入该单 元的质量【4 7 】。假设流体不可压缩，此时，其数学表达式为： 孕+ 警+ 譬= o ( 2 - 1 ) += nf 1 、 9 中南大学硕士学位论文 第二章铸造c a e 数值模拟技术 式中， 均、1 2 2u 3 为速度矢量在三个方向( x 、y 、z ) 上的分量。 动量守恒方程式，又称为纳维一斯托克斯( n a v i e r - s t o k e r ) 方程式( 简称n s 方程) ，假设流体不可压缩，此时，它的数学表达形式如下【4 7 】： p 罢一v 2 d - v p + 加 ( 2 - 2 ) 式中：g 为重力；r 为应力张量；d 为偏微分算子，p 瓦 d o = 昙+ 甜丢+ y 昙+ 彩丢； 为动力粘度系数；v 2 为拉普拉斯算子，v 2 = 导+ 导+ 善。 金属液充型流动过程中总是伴随着热交换，这些发生在金属液和铸型之间的 热交换会使金属液热量损失，温度不断降低，甚至发生凝固，从而影响金属液的 充型过程 4 7 1 。所以，在研究金属液充型过程流体流动时，一定要考虑金属液和 铸型以及和冷铁之间的传热，确保模拟结果贴近实际。 根据傅里叶导热定律和能量守恒原理，可以推导出流体传热的能量守恒方 程，加入紊流处理后，能量守恒方程的数学表达式为： a ta ta t8 t 一4 - 让一4 - 1 ，一- ! - ， 一= 西 苏 a y 昆 ( 2 3 ) 一1 a 。 ( 2 + 丝) 娶】+ 一1i 0 【一2 + 丝) 罢】+ 一1i 0 【一2 + 鲁) 娶】 pa ) c c o t o x p 印co t 哪p o zc a t o z 式中：t 是流体的温度；c 。是流体的等压比热容；力是流体的导热系数；以为紊 流动力粘度；q 为普朗特数，一般q = o 9 1 0 。 对于不可压缩流体，体积函数方程为 4 t j ： 一8f“望v望+国塑：0-i- 1 -u( 2 4 ) 一 “ v 十国一= l z - j 现 孤 谚 现 式中：，为体函数；扰，y ，国为速度矢量在坐标系x ，y ，z 方向上的分量。 2 1 3 铸件充型过程数值模拟常用方法 对金属液充型过程流场进行计算机模拟有一定的难度，一方面是因为金属液 流动过程中存在着自由表面的问题，因为自由表面确定了计算流场的场域，怎么 确定变化着的自由表面的位置以及形状，把随时间变化的流场域转化为固定流场 是一个很大的难点；另一个方面是因为压力场不确定，压力梯度是动量方程源项 中的一部分，没有显方程来求解压力场，基于此，铸