（材料加工工程专业论文）基于数值模拟密接式车钩工艺改进.pdf

中文摘要 摘要：铸造工艺设计与铸件成型过程密切相关，而铸件成型过程是极其复杂 的高温、动态、瞬时的变化过程，难以直接观察，虽然铸件的充型和凝固已建立 了系统的理论体系，但难以定量和形象地描述铸件成型过程，有效指导铸造工艺 设计。传统的铸造工艺设计在很大的程度上依赖于经验，需要根据铸件中存在缺 陷不断改进完善工艺，消除缺陷这种依赖于经验的工艺设计，易造成人力、物 力和时自j 的浪费，工艺设计效果欠佳。随着计算机技术的发展，计算机数字模拟 技术可以预测铸件充型、凝固过程中产生的缺陷，有效地指导工艺设计，节省人 力、物力和时间，确保铸件质量。 密接式车钩作为车辆连接的关键零件，它的质量的好坏，将直接影响列车的 运行安全。目前四方机车车辆有限公司生产的密接式车钩存在着收缩孔洞缺陷、 铸件出品率低的问题，因此有必要对其生产工艺进行计算机模拟和缺陷预测，改 进生产工艺，提高铸件质量和出品率。 本课题基于北京交通大学与四方机车车辆有限公司的合作项目，丌展密接式 车钩铸件凝固过程数值模拟研究，解决车钩铸件中存在的收缩孔洞缺陷。本论文 采用p r o e 软件作为三维制图工具，凝固模拟采用p r o c a s t 软件，主要进行以下 研究工作： ( 1 ) 确定企业生产工艺条件下铸件铸型间的界面换热系数。铸件铸型间的界 面换热系数对砂型铸造凝固模拟的精度有重要影响，界面换热是整个系统传热的 关键。本文通过现场温度场测试，结合铸件充型凝固模拟计算结果通过试验与 计算相结合的方法，确定了密接式车钩砂型铸造条件下的界面换热系数。 ( 2 ) 改进工艺设计。在确定界面换热系数基础上，修改并验证凝固模拟的建模， 使理论计算与实际测试相符合，进而针对密接式车钩原有工艺条件下模拟结果中 存在的收缩孔洞缺陷，对工艺设计进行改进。在改进工艺条件下的凝固模拟结果 表明，铸件充型过程平稳实现了顺序凝固，所形成的温度场具有好的凝固补缩 通道，可以消除原工艺中存在收缩孔洞缺陷。 ( 3 ) 提高铸件出品率。通过本课题研究，密接式车钩铸件出品率可以提高9 ， 降低了原料消耗，提高了工厂的经济效益。 关键词：密接式车钩凝固模拟界面换热系数铸件出品率 a b s t r a c t a b s t r a c t ：c a s t i n gt e c h n o l o g yd e s i g n i s c l o s e l yr e l a t e d t ot h ec a s t i n g s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s , w h i l ec a s t i n gs o l i d i f i c a t i o np r o c e s si sac o m p l e xp r o c e s s c o m b i n e dw i t hh i g ht e m p e r a t u r e ，d y n a m i ca n dt r a n s i e n tc h a n g e sa n dg a l ln o tb ed i r e c t l y o b s e r v e d a l t h o u g ht h et h e o r e t i c a ls y s t e mo fc a s t i n gf i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s w a se s t a b l i s h e d i ti sd i f f i c u l tt od e s e f i b ec a s t i n gs o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa n de f f e c t i v e l y g u i d et h ec a s t i n gt e c h n o l o g yd e s i g n t h et r a d i t i o n a lc a s t i n gt e c h n o l o g yd e s i g nd e p e n d s m o s t l yo ne x p e r i e n c ea n di tn e e d st r ya nd r l r o rt oi m p r o v et h et e c h n o l o g ya n de l i m i n a t e d e f e c t s ，t h i sm e t h o dc a u s e sw a s t a g e so fl a b o rc o s t , m a t e r i a la n dt i m e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ed e f e c t s c a u s e dd u r i n gc a s t i n gf i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o np r o c e s sc a nb ep r e d i c t e dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , a n dt h ec a s t i n g t e c h n o l o g yc a nb ce f f e c t i v e l yd e s i g n e d a sar e s u l t , t h eg o o dq u a l i t yo fc a s t i n g sc a n o b t a i n e dt o g e t h e rw i m s a v i n go f m a n p o w e ra n dt i m e i i g h t - l o e kc o u p l e ri sak e yc o n n e c t i n gp a r ti nt h et r a i n i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ri t s q u a l i t yt os a t i s f yt h es a f e t yr e q u i r e m e n tf o rr u n n i n gt h ew a i n t h e r ee x i s t ss h r i n k a g e d e f e c t si nt h et i g h t - l o c kc o u p l e rp r o d u c e db ys i f a n gl o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c k c o ，l t da n dt h ec a s t i n gy i e l di sl o w t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v ei t sc a s t i n g t e c h n o l o g yw i t ht h eh e l po ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns oa st og e tg o o dq u a l i t yo f c a s t i n g sa n di m p r o v ec a s t i n gy i e l d b a s e do nt h ec o o p e r a t i o np r o j e c tb e t 、v 啪b e i j i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t ya n ds i f a n l o c o m o t i v ea n dr o l l i n gs t o c kc o ，l t d ，t h er e s e a r c hp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri st h e s o f i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o no f t h et i g h t - l o c kc o u p l e rc a s t i n g st os o l v et h es h r i n k a g ed e f e c t s i np r o d u c t i o n 3 dm o d e lo ft h ec a s t i n gi se s t a b l i s h e dw i t hp r o ec o d ea n dt h e s o l i d i f i c a t i o no ft h ec a s t i n gp r o c e s si ss i m u l a t e dw i t hp r o c a s tc o d e t h em a i nw o r k f o c u s e so nt h ef o l l o w i n g ： 1 ) m e a s u r et h ei n t e r r a c i a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tb e t w e e nt h ec a s t i n g sa n dm o l d s a n d t h ei n t e r r a c i a lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sas i g n i f i c a n tf a c t o ra n dh a sa ni m p o r t a n t a f f e c to i lt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na c c u r a c y t h r o u g ht e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o m b i n a t i o no ft h ee x p e r i m e n tw i t hc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，t h e r e a s o n a b l eh e a tt r a n s f e rt o e 衙c i e n tc a l lb eo b t a i n e d 2 ) i m p r o v ec a s t i n gt e c h n o l o g yd e s i g n b a s i n go nt h ei n t e f f a c i a l h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n to b t a i n e da n db ym o d i f y i n ga n dv e r i f y i n gs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee x i s t i n g t e c h n o l o g yt om a k es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n s i s t e n tw i t ha c t u a lm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，t h e r e a s o n a b l ec a s t i n gt e c h n o l o g yw a sf o r m u l a t e dw i t ht h eh e l po f t h es i m u l a t i o nt or e d u c e t h es h r i n k a g ed e f e c t si nt h ec a s t i n g s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ei m p r o v e m e n t t e c h n o l o g y s h o wt h a tt h em e t a ll i q u i df i l l st h em o l ds m o o t h l ya n dd i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o nc a nb ea c h i e v e d t h et e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gs o l i d i f i c a t i o ni n d i c a t e st h a t t h e r ew a sag o o df e e d i n gp a t h , s ot h es h r i n k a g ed e f e c t si nc a s t 吣咖b ee l i m i n a t e d 、析t 1 1t h ec a s t i n gt e c h n o l o g y 3 ) i n c r e a s et l mc a s t i n gy i e l d a a g h t l o c kc o u p l e rc a s t i n gy i e l dc a nb ei n c r e a s e db y 9 a n dt h ec o n s u m p t i o no f r a w m a t e r i a l sr e d u c e da n dt h ee c o n o m i cb e n e f i t si n c r e a s e d k e y w o r d s ： l i g h t - l o c kc o u p l e r ；s o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o n ：i n t e r f a c i a lh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；c a s t i t l gy i e l d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：舞乞每 导师签名： 翰皂氏 i 签字日期：2 0 年i2 月h 日签字日期：1 啕年i1 月u 日 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 本论文的工作是在我的导师韩建民教授的悉心指导下完成的，韩老师渊博的 学识、严谨的治学态度、科学的工作方法和孜孜不倦的进取精神将使我终身受益。 在生活和为人处事上，韩老师也以他的一言一行为我们树立了榜样。巍巍师恩， 难以言表，在此衷心感谢韩老师三年来对我的关心和指导! 本课题的顺利完成离不开高工李卫京老师在学习上的热心指导和生活中的无 私帮助，李老师对工作的认真负责，对学生的细心关切让我们永远的学习和铭记。 在此，向李卫京老师表示真挚的感激和敬意! 王金华教授对作者的科研工作和论文提供了许多的宝贵意见和帮助。壬老师 工作上兢兢业业、生活中乐观执着的人生态度为作者在以后的人生道路上树立了 榜样，在此表示深深的谢意和敬意! 在实验室工作及撰写论文期间，师兄杨智勇给予了作者很大的帮助提出了很 多建设性的指导，詹远光、戎文娟、王华庆、李斌等同学对作者的研究工作给了 很大的支持和帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢陈怀君技师对作者在实验工作方面的支持与帮助。 另外也感谢作者的家人和一切帮助过作者的老师同学，他们的理解和支持使 作者能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 铸造是历史悠久的传统产业，在国民经济中有着举足轻重的地位。先进制造 技术的发展，要求铸件的生产向快捷、精确、高质量、低消耗和少污染方向发展。 2 l 世纪也是使用高性能材料的世纪，是呼唤“绿色”环保材料的时代。我国成形加 工工业虽历史悠久，但与国外相比有较大差距，它严重制约着国民经济的发展。 因此，如何适应市场经济发展的需要，迎接全球化竞争的挑战，成了摆在我国铸 造行业面前的重要课题。要应对激烈的市场竞争，不仅要求产品有好的质量和低 成本，还要求企业能快捷地对市场变化做出反应，这就需要有强大的工艺设计能 力，并能依靠先进的信息技术快速廉价地推出产品，在市场竞争中占得先机。 要缩短新产品的试制周期，降低试制费用，优化现有产品的工艺，减少废品 率必须要研究铸件的成型过程。传统的铸件生产多采用试错法，对于大型铸件 或新产品开发来说，往往需要反复试制，这样不仅周期长、浪费大，而且很难保 证质量。因此，在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷及其部 位有效的预测采取有效对策，确保铸件质量，具有重要的工程意义。 计算机数字模拟技术的飞速发展以及在铸造中的推广应用，使得这一梦想变 为现实。该技术以数值计算为基本方法，结合传热学、流体力学、弹塑性力学、 流变学、结晶学以及物理化学等学科的研究成果，对铸件充型过程的流动场，凝 固过程的温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，可以打破“睁眼造型，闭眼浇 注”的传统模式，使工程技术人员对铸件充型过程中金属液的流动形态、凝固过程 的温度场分布、应力场的形成和分布，结晶晶粒的形成、生长、尺寸及形貌等信 息有清楚的了解，并以此为依据预测是否会产生缩孔、缩松、夹杂、偏析、裂 纹等缺陷，进而对工艺方案进行改进，通过反复的“电脑试浇”和比较分析结果， 最终获得最优生产工艺，此过程也称为“虚拟铸造”。通过虚拟铸造可以保证铸 件质量，提高工艺出品率减少对经验的依赖，增进科学决策，缩短试制周期， 节省试制费用，最终增强市场竞争优势。因此，专家指出：铸件充型、凝固过程的 计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路，具有 重大的学术价值和工程实用意义。 1 1 本课题的选题背景和研究意义 1 1 1 本课题的选题背景 随着铁路运输高速重载的飞速发展特别是货车转k 2 型转型为转k 6 型后达 到载重8 0 吨时速1 2 0 公里以上，客车第六次大提速要达到时速2 0 0 公罩以上时 对高速列车( 如图i - 1 ) 的舒适性和安全性提出了越来越高的要求，这一切要求铁 路铸钢件特别是对于一些形状结构复杂、运行条件苛刻、受力复杂件比如轴箱、 幽i - i 高速列车 f 嘻l l t h eh i g l h p e e dt r a i n 转臂、车钩、尾框等关键受力件必须具有更高的强度、刚度和可靠性。采用传统 工艺手段和依照老标准生产的铸钢件已经不能满足要求，根据铁路运营部门统计， 仅每年通过列检和段修发现的裂纹摇枕、 的不可视性和试制周期长 等缺点，传统的铸钢件生产 模式已经不能适应现代社 会的要求，采用先进的数值 模拟技术改变传统的生产 过程已经势在必然。 密接式车钩( 如图卜2 ) 是用来实现机车和车辆或 车辆和车辆之间的连挂，传 递牵引力及冲击力，并使车 辆之间保持一定距离的车 辆部件，由钩头，钩身、钩 尾三个部分组成。作为高速 列车上的关键零部件，其材 质为铸钢，由于铸钢的铸造 性能较差，形成缩孔、热裂、 侧架都在几千件次以上。由于铸造过程 图卜2 密接式车钩 f i g 1 - 2 t h et i o _ i t l o c kc o u p l e 冷裂以及气孔的倾向均比较大，易使铸件存在这样 2 性能较差。形成缩孔、热裂、冷裂以及气孔的倾向均比较大，易使铸件存在这样 或那样的缺陷。尤其是内部缺陷往往难于发现和消除。而在高速重载的运营条件 下，任何铸造缺陷都可能构成行车隐患。严重的甚至构成行车事故，给人民生命 财产造成重大损失。因此运用先进的铸件凝固模拟技术和工艺控制手段准确有效 地预测铸件缺陷，优化铸造工艺，增进科学决策，减少经验依赖，从而最大限度 的减少铸造缺陷，提高铸件产品质量是铁路高速重载发展提出的迫切要求。 1 1 2 本课题的研究意义 铸造过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业 的必由之路。利用数值分析技术，可视化技术，传热，流体力学及金属凝固理论 对铸造过程进行温度场模拟仿真，并依据模拟结果对铸件产生的缺陷部位进行预 测，进行工艺优化，从而达到缩短试制期的目的，以降低成本。因此，该技术在 生产中具有越来越重大的意义。 另一方面，在计算机凝固模拟技术中，温度场模拟技术正逐步走向成熟，但 进一步研究和推广还需解决几个问题：( 1 ) 许多材料的热物理参数缺乏或不准确， 这将直接导致模拟计算数据的误差；( 2 ) 由于铸件形状、大小种类等差异很大，在 建立凝固的物理、数学模型时，往往进行了许多简化，未能充分考虑充型过程中 所产生的形核、生长、液态金属在充型过程中流动、凝固组织与机械性能等因素， 因而模型还有待进一步完善：( 3 ) 在目前的情况下，各计算方法的适用性、精度控 制与误差分析及网格划分的优化等工作开展很少，许多模拟有待进一步的分析与 改进。 在本文中主要解决上面存在列出的热物性参数如何选择的问题，由于没有直 接的密接式车钩铸件与砂型之间的界面换热系数可以利用，因此本文采用实验加 计算的方法来获得界面换热系数。 本文中密接式车钩是新型提速客车密接式钩缓装置中的主要部件，密接式钩 缓装置是专门为新型2 5 t 提速客车设计的密接式车钩缓冲装置，型号为 m j g h 2 5 t 。密接式车钩作为车辆连接的关键零件，它的质量的好坏，将直接影响 列车的运行安全。目前四方机车车辆有限公司生产的密接式车钩存在着收缩孔洞 缺陷、铸件出品率低的问题，因此有必要对其生产工艺进行计算机模拟和缺陷预 测，改进生产工艺，提高铸件质量和出品率。 1 2 数值模拟技术的发展情况 铸件凝周过程的数值模拟是近三十年来迅速发展起来的现代铸造工艺研究方 法。这种方法通过对铸件迸行计算机试浇及工艺分析。能快速深入地揭示出决定 铸件质量的内在规律，通过实际浇注验证所采用的铸造工艺参数的合理性，这对 于指导工艺设计具有重要意义。 1 2 1 国外凝固模拟发展研究状况 1 9 6 2 年丹麦的f o r u n d 第一次把有限差分近似法用于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i l 】。1 9 6 5 年，美国g e 的h e n z e l 和k e v e r i a 用瞬态传热程序对大型铸钢件进行了模拟。这些最初的尝试使得研究者 认识到凝固模拟的广阔前景和巨大潜力1 2 l 。 七十年代：美国的r d p e h l k e , j 。t b e r r y 等人对凝固的计算模拟作了深入研究， 发表了大量具有广泛影响力的论文p l 。在日本，大中逸雄提出了直接差分法1 4 1 ， n u m u r a 提出了“等模数法”新山英辅提出了“变更函数法”，提供了通向三维 模拟的途径i ”l 。这些研究成果为世界各国的研究工作打下了良好的基础，并在七 十年代掀起了世界范围的计算机数值模拟凝固过程的热潮。 8 0 年代末，b e n n o n h e 和l n c r o p c r a 应用经典混合理论，建立了凝固时传热，传 质和动量传输耦合的连续模型，但这个模型在追踪固液两相区界面方面尚不完善， 从而限制了它的进一步发展1 9 l 。 9 0 年代初，b e c k e r m a n n 等人提出基于体积平均概念三传耦合型，这个模型在 固相、液相、固液两相区的方程形式是一致的，无须追踪界面，简化了计算【。 1 9 8 7 年两位从事热能工程的美国著名学者b e n n o m 和l n c r o p e r a 首次应用经典 混合理论，建立起凝固时传热、传质和流动过程的统一数学模型，这一模型对于 液相和凝固区的描述是准确的，同时，固相移动速度可以不为零，这就使它能够 用于等轴晶的计算，因而受到人们的高度重视，但他们的模型中还有一定的缺陷， 使其并不完全适应金属合金的凝固过程i l l , j 2 。徐达鸣基于多孔介质流体力学概念出 发，获得了与b e n n o n 等人类似的统一模型。 1 2 2 国内铸造模拟技术发展状况 在我国，凝固的计算机模拟的工作都开始的比较晚起步于8 0 年代初。大连 理工大学发表了用有限差分法( f d m ) 进行大型铸件凝固过程温度场计算的研究报 告，并利用数值模拟技术进行冒口优化设计的工作，通过反复修j 下冒口尺寸，计 算铸件凝固过程，使缩孔产生在冒口底部而不进入铸件内，这样就得到最佳的冒 4 口尺寸【1 3 , 1 4 】。 沈阳铸造研究所以3 3 0 大型水轮机叶片为对象，用d f f 格式进行数值模拟， 为产品工艺设计和质量控制提供依据，收到了很好的效果【1 5 , 1 6 。经过进一步改进， 现已扩展形成了计算铸件凝固过程温度场、温度梯度场和冒口优化设计微型机通 用软件，并且在一些工厂得到了应用，同时对铸件三维凝固过程的温度场和流场 作了很多研究，开发出了自己的软件。 西北工业大学研究了凝固条件对a l - 4 5 c u 合金温度场的影响，并对简单显 示差分，交替方向隐式差分和有限元三种方法的计算结果进行了对比讨论，分析 了各种方法的优缺点【l n 。 西安交通大学用直接差分法对金属铝合金试样进行了二维和三维温度场的计 算，编制了数值模拟程序和自动剖分和数据形成预处理程序i 蜡】。 9 0 年代至今，清华大学对铸件凝固过程的温度场、流场和耦合场都进行了数 值模拟，对铸造过程中产生的缺陷进行了数值模拟，取得了很大进展1 1 争1 。特别 是铸造充型过程中温度场和流场是铸造研究中的前沿问题，都进行了不少研究， 开发出了自己使用的通用软件，在这一方面领先于国内其他院校和研究所。并通 过二维计算和三维计算的比较，认为对于三维形状的铸件，只有进行三维温度场 计算，才能真正模拟其凝固过程，用二维计算会造成很大的误差。同时也用有限 元对三维复杂铸件的凝固过程进行了模拟，得到了比较满意的结果。 1 2 3 凝固过程数值模拟的意义 铸件凝固过程的数值模拟是以铸造凝固理论、传热学、高温力学及流体力学 等学科为基础，并以数值方法及计算机技术为手段的现代铸造工艺研究方法，是 铸造c a d 的基础。其实质是：在物理模型的支持下，对铸件成型系统( 铸件、型芯 及铸型等) 进行几何离散在数学模型的支持下用计算机通过数值计算来显示、 分析和研究铸件凝固过程的物理场( 如温度场、流场和应力场等) ，并结合相关的 判据和方法来研究铸造合金凝固理论、预测及控制铸件质量的一种技术。 铸造凝固过程数值模拟主要涉及凝固理论研究和铸造工艺研究。在凝固理论 方面，包括合金的生核、晶体生长方式、枝晶间距、成分过冷、共晶生长、定向 结晶、非平衡结晶和深过冷结晶等方面的研究。在工艺研究方面，凝固过程数值 模拟为浇注系统、冒口、冷铁、补贴、保温条件、浇注条件的设计和缩松缩孔、 夹渣、热裂、变形、多晶等缺陷的预测提供必需的数据，为工艺设计和提高铸件 质量起着重要作用。铸件凝固是铸造工艺的根本技术问题，大部分铸造缺陷均产 生在这一过程或与之密切相关。同时由于这一问题相当复杂，液体进入型腔后， 温度和流态的变化凝固如何进行，缺陷如何生成，如果只依赖实际经验来判断具 有相当的盲目性。在研制新工艺或改进工艺时，利用计算机辅助设计和模拟分析 一体化技术，实现模拟试浇，质量预测，可以在计算机上展示余属液进入型腔到 凝固的全部过程，并根据各种判据功能找到形成缺陷的部位，以便确定合适的工 艺方案，从而大大节约产品试制和工艺改进的成本，迅速的缩短总的生产周期， 碱少试制时问即将缺陷降低到最低的水平，弥补了模具、工艺、结构的设计不合 理带来的j x l 险。图1 - 1 是在数值模拟技术指导基础上的产品开发流程图。 1 2 4 数值模拟常用的计算方法及其特点 1 数值模拟常用的计算方法目前在凝固数值模拟研究中，常用到的数值算 法有：有限差分法、直接差分法、有限元法和边界元法陟硎。 1 ) 有限差分法( f 阴) ：将求解的时间范围划分成许多时间步长，将求解的空 间划分为节点网格，然后使展开式适于节点网格，成为没有微分项的差分式。在 用微分方程式推导出差分式的方法中，用得最多的就是有限差分法。有限差分法 又分为显式解法和隐式解法两种。 2 ) 直接差分法( d f 附) ：将求解的系统分割成许多微小单元，每个单元的物理 现象不是通过微分方程式来表达而是直接表示为可进行计算差分方程式。根据 节点和节点领域的定义方法不同，又可分为内节点法和外节点法。 3 ) 有限元法( f 叫) ：从微分方程出发，用权余法求得计算的基本过程，在整 体区域变分求解，遇到困难的情况下采用网格划分技术，使变分计算在每一个局 部的网格单元中进行，最后再合为整体的线形代数方程组求解 4 ) 边界元法( s e m ) ：通过格林公式或权余法，借助于两点函数表示的基本解， 将求解域上的偏微分方程转换成边界上的积分方程，经过离散化，最终化为代数 方程组进行求解。 其中有限差分法与有限元法是流场及温度场数值模拟计算的主要方法。从历 史发展的角度看，有限差分法发展的比较早很多流场模拟软件是用有限差分法 开发的。近年来有限元法发展很快，有限元法和有限差分法相比有很多特点： 1 1 有限元法求解区域可以是任意复杂形状，能处理非常复杂零件的网格剖分， 而有限差分法剖分必须是正交网格( d f d m 法除外) 。有限元法的充型流动数值模 拟的有限元法研究单元形状有很大的任意性，且几何形状近似精度较高。另外， 在物理量变化比较激烈的地方，网格划分可以比较细，而变化比较平缓的地方则 网格划分可以相对粗一些。 2 ) 流场模拟采用伽辽金加权余量有限元法。物理概念比较清楚 6 图1 3 数值模拟产品开发流程图 f i g ，l - 3d e v e l o p m e n tf l o wc h a r to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 ) 有限元法是将区域分片或分块离散对每一个单元而言，它的近似解是连 续的。而有限差分法用完全离散的节点值来近似地表示连续函数。 4 ) 在有限元法中，自然边界条件在加权余量表达式中得到自然满足，对基函 数的选取和边界条件的处理带来有利条件。 5 ) 有限元法程序通用性强，很适合移植和二次开发。 6 ) 便于统一考虑充型后的凝固或热应力数值模拟。 7 ) 有限元法的缺点是所需内存容量比较大，计算时间比较长。 各种数值计算方法都既有优点又有缺点，且都有各自不同的适用范围。 当前有限差分法( f d m ) 及有限元法( f e m ) 是其中应用较广且比较成熟的两类 方法。由于实际铸件结构往往比较复杂，而凝固过程中有关物理场的分布也是不 均匀的。因此，随着凝固模拟深入开展，无论从对几何形体的精确、经济的几何 模拟，还是从对物理场不均匀及非线性的实际分析对象进行可靠物理模拟来看， 当前对数值方法的三维任意不均匀网格化能力、非线性及耦合分析能力等要求日 益提高。从这一角度来看，有限元法具有独特的优越性。 综合比较之后，本文采用基于有限元( f e m ) 的数值计算方法。 7 1 3 铸造过程数值模拟软件的发展状况 铸造凝固数值模拟的发展与计算机的发展密切相关。自1 9 6 2 年第一次使用数 字计算机及有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算之后世界上许多国家都相 继丌展了铸件凝固过程数值模拟及相关的理论与实践研究。迄今为止已经相继 开发成功了一系列铸造用模拟软件。在分析铸造缺陷，预测铸件质量，优化铸造 工艺方面发挥着重要作用。 目前发达工业国家都有自己的商品化模拟软件著名如美国的p r o c a s t 德国 的m a g m a ，芬兰的c a s t c a e ，西班牙的f o r c a s t ，开本的c a s t t e m ，法国的s i m u l o r 瑞典的n o v a s o l i d 等，许多软件可以对砂型铸造、= i ；：属型铸造、精密铸造等进行温 度场、流场及应力场模拟，预测铸件的缩松、缩孔、热裂等缺陷和各部位的组织。 其功能一方面j 下向低压铸造、压铸、熔模铸造等方面发展；另一方面币从宏观模 拟向微观模拟发展。其中美国的p r o c a s t 和德国的m a g m a 己增加了球墨铸铁组织中 石墨球数及珠光体含量的预测功能。 在这方面国内起步较晚但进展迅速。已开发的商品化软件主要有清华的 f t - s t a r ，华中科技大学的华铸c a e 沈阳铸造研究所的s r i f t c a s t ，其部分功能己与 国外软件相当。另外实现铸造c a e 在并行工程中的集成是人们目前关注的焦点。综 上所述，都标志着充型过程计算机模拟技术同益成熟，为生产中的广泛应用奠定 了基础【” ( z s l 。 二十世纪八十年代后期到九十年代初期。美、德、法、英、只等发达国家先 后推出一大批功能强大、性能完备的铸造凝固过程模拟商品软件，其主要功能和 应用范围见表卜l 。 1 9 9 4 年美国国家航天航空总局( n a s a ) 在调查评估的基础上推荐该软件为铸 造过程c a e 的首选软件。其后包括，美国h o w m e t 、p r a t t & w h i t n e y 、p p c 、g e a e 以及英国r o l l o r o y c e 等世界著名航天航空精铸企业纷纷选择p r o c a s t 作为工 艺分析和新产品丌发的重要工具。在本论文中采用的是p r o c a s t 软件。 表1 1 世界知名的铸造过程模拟软件的主要功能 t a b l c l 1m a i nf u n c t i o n so f t h ef a m o u ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei nt h ew o r l d 适_ l i j 范隔 软r i ：名称埂、软什平台计算方法 土要功能 铸造方法铸造合金 微机( p c )儿何建模充 砂刑、壳 所有铸造 a f s o l i df d m型、金属删年i i 熔 ，d o s型凝州模拟台金 模铸造 儿何建模充 砂州、金属 铝，钢和 c a m c a s l y l ：作站u n i x f e m 叩凝i 卉| 、铸造 s l m u l o r 碰和熔模铸造铸铁 微观组织、残 8 余应力模拟 砂耻、压 儿何建模充 铸、消火模铸 ! j ：作站u n i x 删凝i 州、铸造 造、反重力、离 所有铸造 p r o c a s tf e m心、迮续、倾斜 台金 q i p c 微观组织、残 等浇注方法及 余应力模拟 定玳凝i 州和单 品熔模铸造 j ：作站f u n i x ， 儿何建模，充 砂州、壳 c a s t c a ep c w i n d o w s f d m 型凝i 州、铸造 型、压铸、v 法、 所有铸造 熔模铸造和 合金 n t w i n d o w s 微观组织模拟 r e p l i c a s t 几何建模充 砂型、金属 铜、铁、 工作站 型凝固、铸造铝，锌、 c a s t v i e w f e m 型、压铸、低压 铜、铅等l i n i x微观组织、残 铸造 余应力模拟合金 所有计 几何建模充 包括实型 f l o w ，3 d型凝固、铸造铸造在l j j 的所所有合金 算机 微观组织模拟有铸造方法 几何建模充 工作站 型凝固、铸造砂型、金属 钢，铁， m a g a m af d m微观组织，铸型、压铸、低压铝及其它 u n k 件和铸型变形铸造有色合金 模拟 儿何建 全部重力 p i ：m i n d模、凝固模拟 m a v i s d i a n a f d m 铸造m a v i s o w s 和压铸过程中 压铸d i a n a 的尺寸变化 p a s s a g e ，p o w 工作站几何建模充 所有铸造 ，u n i ) 戚超级刚型凝固、铸造全部铸造方法 e r c a s t 合金 计算机微观组织模拟 砂型、金属铸钢、铸 几何建模、充 型、压铸、低压铁、不锈 s o l d i ap l 了d o sd f d m铸造、熔模铸钢、铝、 型凝固模拟 造、倾斜浇注、铜及其它 热处理合金 1 4 本课题的工作思路及内容 从铸件形成过程数值模拟技术的研究现状来看。铸件充型凝固过程的数值模 拟己进入工程实用化阶段，用于充型凝固过程数值模拟的商品化软件不断推出。 四方机车有限公司引进了美国l i e s 公司的铸造过程分析软件p r o c a s t ，该软件采 用有限元法，因而特别适合于缸盖、缸体等复杂铸件的模拟，但有限元法的计算 量非常大。 首先在本文研究中要学习、掌握p r o c a s t 软件。在充分理解p r o c a s t 软件充 9 型和凝固模拟算方法的基础上，以生产应用为目的通过选择合适的热物性参数 以及工程实用的时f b j 步长算法等，使得复杂铸件的模拟在满足工程应h j 的i 订挺下， 显著降低分析费用。 其次，结合密接式车钩型凝固过程数值模拟的需要，通过进行实地的温度测 试，对密接式车钩实际工艺条件下的铸件进行冷却曲线的实验测量，利用所测得 冷却曲线结合反算法获取密接式车钩再现尘产条件下的界瓯换热系数。 然后，建立密接式车钩的原始工艺下密接式车钩的三维几何模型及有限元模 型，并对原始工艺进行模拟分析，并在模拟分析的基础上，提出改进生产工艺， 并在保证铸件具有良好的凝固顺序和不出现缩孔等缺陷的情况下，通过修改密接 式车钩头部和尾部冒口大小提高铸件出品率，使出品率提高了9 n 。 最后将上述研究成果用于密接式车钩在改进工艺条件下充型凝固过程的数 值模拟，模拟结果要求模拟空洞缺陷消失，显示的结果达到了预期的要求。 0 2 铸件凝固过程温度场凝固模拟理论 液态会属浇入铸型后，在塑胶内的冷却凝同过程是一个通过铸型向环境散热 的过程。铂：这个过挫i i t 铸f l ：j 手ir 铸型内部温立分嘶j 婴随时u j 变化。从化热办式：行， 这一散热过秘赴按导热、对流、辐射i 种方式综介进行的。娃然，对流年! f i l 射的 热流主要发生在边界上当液念会埘允满型腔后如粜不考虑铸什凝过程- i 液 念金属发生的对流现织，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。因此 铸件凝过程的热过程数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的，但还必须 考虑铸件凝固过程中的潜热释放， 本章将详细介绍铸件凝固过程温度场模拟的数学模型、初始条件、边界条件、 结晶潜热处理、缩松缩孑l 预测以及p r o c a s t 软件简介。 2 1 凝固过程温度场数值模拟的数学模型 铸型中 ；= 屈凝固的传热过程包括了会屈的冷却凝固和铸型的加热其中 ；= 腼i 冷却凝固过程中释放的潜热对整个过程有重要的影响。对于金属来说假定单位 体积内单位时h j 固相部分增加率为蓼a t ，在潜热释放的发热量为p 髟l a r 。因此 考虑了这个潜热释放出后的不稳定导热偏微分方程为 心磬= 岳( 五套+ 茜( 五争+ 杀( 五争 ( 2 1 ) 由于铸件与铸型的热物性参数不同，同时铸件在冷却凝固时有潜热释放，对 传热过程产生影响，所以铸件和铸型要用不同的热传导方程。在铸件巾对不稳定 热传导控制方程。在铸件中不稳定热传导的控制方程式表达为 皿凸t 玺= 岳( a w 争+ 岳( 知品) + 岳( 从岳) ( 2 2 ) 式中印r 为铸件材料密度( 幻i m ) c ，为铸件材质比热容( ，七g k ) 。五一， 为铸件材质热导率( 所k ) ，工为铸件结品潜热( d l 堙) 后为铸件凝周的固 相分数 式( 2 2 ) 左边表示金属中热积蓄项，右边前三项表示导热项，第四项为潜热 相。 在铸型中，不稳定热传导的控制方程表达式为 肛g 器= 杀( 厶套+ 岳( 厶品) + 岳( 厶杀) ( 2 3 ) 其中，加为铸型材料密度( 七g i m 3 ) ，g 为铸件材质比热容( d l 七g k ) t 厶 为铸件材质热导率( w m k ) 。 2 2 1 凝固过程温度场数值模拟求解条件的处理 影响铸件凝固过程的因素非常多，在求解中若要把所有复杂的因素都考虑进 去是不现实的，同时也是不可能的。因此在铸件凝固过程这个复杂的实际条件下， 需要抓住主要因素，舍掉次要因素，对模型作合理简化和假设，使这个问题的解 与实际结果仍能相近。为了问题的求解，一般作如下假设i ( 1 ) 认为液态金属在瞬时充满铸型后丌始凝固。对于初始条件常常就是根据 这个假设来确定的。这个假设对大型铸件来说，由于其凝固时间相对浇注时问要 长得多不会引起太大的误差，但对于小型或薄壁型铸件来说是有问题的，这时 必须对浇注过程的温度分布做解析。可是即使假定初始液体温度为定值，也还是 能够得到许多有用的解析结果。 ( 2 ) 不考虑液相的流动对于大型铸件。液相中的对流作用是不可避免的， 这是铸件内部对流引起的传热可通过适当放大液态金属的导热率进行补偿。从某 种程度说，这个假设对于普通铸件是合适的。按照这个假设。传热过程可以只考 虑热传导。 ( 3 ) 不考虑合金的过冷。假定凝固是从给出的液相线温度开始，固相线温度 结束。 根据基本假设( 1 ) ，认为铸型被瞬时充满，因此初始条件为 r ( x ，y ，z ，0 ) = t o l ( 在金属区域中) r ( x ，y ，z ，0 ) = r a 2 ( 在铸型区域中) ( 2 4 ) 一般t oj 定为等于或略低于浇注温度昂，r m 为室温或铸型预热温度凡 t ： 、 厶 l 型 t i