（材料加工工程专业论文）大型铝合金铸件缺陷预测及铸造工艺优化.pdf

摘要 摘要 单件质茸为3 8 0 k g 的大型壁厚不均匀的台阶状筒形铝合金铸件，冈充型不平稳和补缩不充分易 造成气孔、缩孔等缺陷，而导致废品。如果仅靠传统经验去设计丁艺方案并直接在生产中调试，则 生产效率低，浪费人力物力。本课题采用数值模拟的方法对铸件的充型和凝同过程进行模拟，可以 有效地预测缺陷，优化铸造r t 艺，提高铸件质量。 采用造型软件u g i i 建模，将建好的三维模型以p a r a s o l i d 格式导出，以p a r a s o l i d 格式作为与 p r o c a s t 的接口文件类型。由于铸件及其浇注系统的二次对称性，取其四分之一进行分析。在 p r o c a s t 的m e s h c a s t 模块中进行面网格及体网格剖分之后，把有限元模型导入p r e c a s t 中定义 材料、界面传热系数、边界条件、初始条件，并设置运行参数，完成前置处理。 充型过程速度场及温度场的数值模拟结果表明：内浇口的位置及截面积大小对铝液在其出口处 的速度有很大影响，充型的平稳性与铝液的流向及充型初期铝液的温度也有较为明显的相关性。通 过调整冒口底部与横浇道的设置、在保证铸件充犁完整的前提下调整浇注温度及浇注时间、在铸件 本体部分增加一过渡区、改变内浇口的位置及截面积大小等一系列优化措施，实现了：铝液在内浇 口出口处速度有效降低，在充型初期铝液温度明显下降，改善了充型过程的平稳性，减少了气孔缺 陷的产生；铝液由铸件向冒口充型，流向得到有效控制，避免了氧化夹杂进入铸件本体。 对凝同过程的凝同百分率及铸件收缩缺陷进行了模拟计算，发现：冒口颈的截面积对冒口的补 缩能力有较大的影响。可适当加大冒口颈尺寸，以增大冒口的补缩能力，减少收缩缺陷。在铸件本 体凝【司后，尽量缩短冒口颈及冒口的凝固时间，可以提高生产效率。经生产实际验证，模拟与生产 结果相吻合。在保证足够补缩能力的前提下，减小冒口直径的同时加大了冒口颈的横向尺寸，可将 工艺出品率提高约7 。 关键词：铝合金铸件；铸造缺陷；数值模拟；工艺优化；p r o c a s t a b s t r a c t a bs t r a c t f o rl a r g e - s i z eb a r r e l - s h a p e da ia l l o yc a s t i n g ，w i t hw a l lt h i c k n e s su n e v e na n dw e i g h t i n g3 8 0 k g ，w h o s e f 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 e sa r ec o m p l e x ，a i rh o l ea n ds h r i n k a g ep o r o s i t ya r el i k e l yt oo c c u rd u et o u n s t a b l ef i l l i n gp l o c e s sa n dp o o rf e e d i n ga b i l i t y , c a u s i n gs c r a p s i fd e b u g g i n gi n p r a c t i c a lp r o d u c t i o n d i r e c t l ya f t e rc a s t i n gp a r a m e t e r sa r ef e db yt r a d i t i o n a le x p e r i e n c e ，t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yw i l lb el o w a n dh u m a na n dm a t e r i a lr e s o u r c e sw i l lb ew a s t e d i nt h i sp a p e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dw a sa d o p t e d t os i m u l a t et h ef 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 e so ft h ec a s t i n g ，w h i c hc o u l db eu s e dt op r e d i c td e f e c t s ，t o o p t i m i z ec a s t i n gp a r a m e t e r s ，a sw e l la st oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec a s t i n g t h es o f t w a r eu g hw a su s e df o rm o d e l i n g , a n dp a r a s o l i dw a sa d o p t e da st h eo u t p u tf o r m a t , w h i c h c o n n e c t e dt h em o d e lt op r o c a s t o n e - f o u r t ho ft h ec a s t i n gw a sm o d e l e da n ds i m u l a t e dd u et ob i n a r y s y m m e t r y m e s h i n gw a sd o n ei nm e s h c a s tm o d u l e ，a n dp r e - p r o c e s s i n gw o r kw a sc a r r i e do u ti np r e c a s t m o d u l e ，s u c ha sd e f i n i n gt h em a t e r i a l sa n ds e t t i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to ft h ei n t e r f a c e ，t h e i n i t i a l b o u n d a r yc o n d i t i o n sa sw e l la sr u n n i n gp a r a m e t e r s t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw o r ko nt h ef i e l d so fv e l o c i t ya n dt e m p e r a t u r ei n d i c a t e dt h a t ：t h e v e l o c i t yo fm e l ta tt h ee x i to ft h ei n g a t ei si n f l u e n c e dg r e a tb yt h ep o s i t i o na n dt h ea r e ao fc r o s ss e c t i o no f t h ei n g a t e ；t h es t a b i l i t yo ff i l l i n gp r o c e s sw a sa f f e c t e d l yd r a m a t i c a l l yb yt h ef l o wd i r e c t i o na n dt h e t e r m p e r a t u r eo fm e l ta tt h eb e g i n n i n gs t a g e b yas e r i e so fo p t i m i z a t i o nm e t h o d ss u c ha sa d j u s t i n gt h e s e t t i n g so ft h eb o t t o mo fr i s e ra n dt h er u i l n e r , p o u t i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m eu n d e rt h ep r ec o n d i t i o no f f i l l i n gc o m p l e t e l y , a d d i n gat r a n s i t i o nr e g i o nt ot h ec a s t i n g ，a sw e l la sa l t e r i n gt h ep o s i t i o n ，t h en u m b e ra n d t h ea r e ao f6 1 0 8 8s e c t i o no ft h ei n g a t e ，t h ev e l o c i t yo ft h em e l ta tt h ee x i to f i n g a t ew a sl o w e r e d s u c c e s s f u l l y , t h et e m p e r a t u r eo ft h em e l ta tt h eb e g i n n i n gs t a g eo ft h ef i l l i n gp r o c e s sw a sd e c r e a s e d a p p a r e n t l y , t h ef i l l i n gp r o c e s sw a sm o r es t a b l e ，f e w e ra i rh o l ew e r ef o u n d ，t h ed i r e c t i o no ft h em e l tw a s c o n t r o l l e de f f e c t i v e l yf r o mc a s t i n gt or i s e r ，a n do x i d ei n c l u s i o n sw e r ea v o i d e dt oe n t e rt h ec a s t i n g b ys i m u l a t i n gt h es o l i df r a c t i o na n dp r e d i c t i n gt h ed e f e c t si nt h ep r o c e s so fs o l i d i f i c a t i o n ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sw e r er e a c h e d ：t h ef e e d i n ga b i l i t yo fr i s e rw a si n f l u e n c e dg r e a t l yb yt h ea r e ao fs e c t i o no fr i s e r n e c k 1 1 l ef e e d i n ga b i l i t yc o u l db ei m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ed i m e n s i o no ft h er i s e rn e c k a f t e r s o l i d i f i c a t i o np r o c e s si sf i n i s h e di nt h ec a s t i n g , m 戗l s u r e ss h o u l db et a k e ni no r d e rt os h o r t e nt h e s o l i d i f i c a t i o nt i m e o ft h er i s e ra n dt h er i s e rn e c k , i nw h i c hw a yt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c yc o u l db ei n c r e a s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da c c o r d a n c e 、) i r i 血p r a c t i c a lp r o d u c t i o n u n d e rt h ep r e - c o n d i t i o no f f e e d i n gt h r o u g h l y , t h ed i a m e t e ro ft h er i s e rw a sd e c r e a s e da n dt h el a t e r a ld i m e n s i o nw a si n c r e a s e da tt h e s a m et i m ei nt h i sr e s e a r c h ，r a i s i n gt h ec a s t i n g y i e l db ya p p r o x i m a t e l y7 0 k e y w o r d s ：a 1a l l o yc a s t i n g ；c a s t i n gd e f e c t s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n ；p r o c a s t l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： e t 期：学 期：! ：2 ：兰：! 篁 i 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：恤导师签名： 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 第一章绪论 随着航空航天、国防、汽车：】：业以及民用医疗器械的不断发展，铸件要求逐渐向小加= 余量、 轻量化、表面质量高的方向发展。铝的相对密度仅为铁的1 3 ，因此当今的制造业越米越重视铝及铝 合金在上业中的应j 扫。铝矿在地壳中的储量十分丰富，目前全世界铝的产量比其他有色金属总和还 要多，是铁以外应用最广的第二金属。所以研究铝铸件成形技术有着重要的意义【l 】。 铝及其合金的外观好、质轻、可机加工、物理和力学性能好，且抗腐蚀性好，从而使铝及铝合 金成为在很多应用领域中最为经济实用的材料【2 】。铝合金由于凝固温度区间较大，在铸造的凝同过 程中容易产生缩孔缩松等缺陷，且铝合金在熔炼过程中极易被氧化，产生的氧化夹杂物最终在铸件 中形成缺陷，因此铝合金的铸造过程参数的设定和铸造过程的控制是极其重要的。 铝合金铸件在实际生产过程中由于铸造工艺设定和铸造过程控制不合理，产生的残、次品较多， 成品率较低，主要表现在铸造过程中产生缩孔缩松、氧化夹杂等缺陷。比如充型温度较高，则薄壁 处质量较好，但铸件内部及厚壁处容易出现偏析和缩松，如果充型温度较低，则薄壁处质量相对较 差，易出现浇不足、冷隔等缺陷1 3 j 。因此，如何合理设置工艺参数，严格控制铸造过程，是获得高 质量铸件需要解决的首要问题。 长期以来，国内的工艺设计者往往凭经验制定铸造过程中的各种- t 艺参数，在生产中合格率不 高时再不断地修改j r 艺参数，再投入生产。铸件设计和铸件生产中的这种现状直接影响到铸件的质 量、生产效率和生产周期周期。 随着计算机技术的发展，利j j 数值模拟软件，将铸件的铸造工艺设计和结构设计结合起来，来 预测和分析铸造中产生缺陷的部位，以此判断铸造工艺是否合理及铸件结构是否满足使用要求，并 以此为依据进行铸造t 艺和铸件结构的改进，为获得少或无缺陷的高质量铸件提供了理论依据，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1 4 j 。尤其对于大型铝合金铸件，一旦产 生报废件，就会带来比较大的经济损失。如果能够在生产前，就对铸件的质量和铸造过程进行预测， 可以避免不必要的经济损失，并且缩短生产周期。 本课题所研究的铸件为大型筒形铝合金铸件，单件质量为3 8 0 k g ，形状不规则，厚薄壁交替，难 以实现顺序凝固。铝合金在浇注系统中充型过程的平稳性也是影响铸件最终质量的重要参数之一。 由于采用传统的砂型铸造，在实际生产过程中的可视化无法实现，因此很难得知铝液在充型过程中 的流动行为及充型完成后的凝固情况。由于铸件较大，如果仅凭工程师的铸造经验来制定产品的生 产工艺，一旦产生报废，就会带来大的经济损失。因此，在依靠经验制定工艺参数的基础上，应用 铸造过程数值模拟软件对铸件的充型过程及凝固过程进行仿真模拟，对可能产生的缺陷类型及位置 进行预测，在产品的生产工艺确定之前，就对铸件的质量进行预测，对铸造过程的工艺参数进行修 改，以提高铸件的质量，节约成本，提高经济效益。 铸造模拟软件正在受到铸造行业的极大关注。铸造行业充分利用现有的数值模拟技术，积极开 发与实际生产情况更为相近的铸造过程模拟参数，必将在不久的将来真正成为环保、节能、绿色的 行业。 1 2 铸造充型及凝固过程模拟概述及在国内外的研究进展 1 2 1 铸造过程数值模拟概述 铸造过程计算机模拟与仿真是信息科学、材料科学、工程力学及计算机图形学等各种学科的交 叉，是先进制造科学的重要前沿领域，是当今世界各国专家学者关注的热点 4 1 。铸造过程计算机模 拟仿真在当今的铸造界已被广泛应用。铸造凝固过程的模拟仿真可以帮助工程技术人员科学预测液 l 东南人学硕士学位论文 态金属充犁过程、凝同过程中的温度场和应力场，以及宏观缺陷和微观组织等，从而能够对铸造过 程所涉及的设备参数、工艺方案等做出最优的决定，达到优化r 艺设计、确保零部件质量，缩短产 品试制周期、降低生产成本、提高铸造生产的经济效益和产品的竞争能力的目的【5 儿6 j 。 铸造过程数值模拟以铸造过程中不同的阶段为依据，可分为充犁过程数值模拟和凝同过程数值 模拟，两者涉及的理论和数学模型不尽相同，因此对两者的研究和应用亦不同时，与凝同过程数值 模拟相比，充型过程数值模拟的起步较晚。其原冈是由于充型过程的计算中涉及的理论方程多而复 杂，需要解动量方程及连续方程、能量方程，并对速度场、压力场反复迭代，计算量人而且迭代结 果容易发散，加之自由表面边界问题的特殊处理，模拟结果难了通过实验方法进行验证等一系列客 观问题，致使充型过程数值模拟的难度犬1 7 1 。 凝同过程的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、同相率、凝同时间等，用一系列准则来预 测铸件在凝l 司过程中产生缩孔缩松的部位、大小、产生的时间。通过这种预测可对制定的铸造t 艺 方案进行修改，再通过数值模拟进行验证。对于凝同过程的温度场和应力场的数值模拟计算，总的 来看，这方面数值模拟技术己趋成熟，铸件凝同模拟在由传热模型逐渐过渡到传热传质及流动综合 模型的同时，正在从宏观凝同模型向着包括动力学冈素在内的微观模型深入发展。宏观模拟的研究 主要集中在铸件应力分析及流场模拟方面；微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级，涉及结 晶生核长大、树枝晶与等轴品转变到金属机体控制等各方面【8 j 。 目前，铸件充型凝同过程计算机模拟仿真发展已进入：r 程实用化阶段，铸造生产正在由凭经验 走向科学理论指导。铸件充型过程的计算机模拟，对于优化铸造工艺设计，降低铸件试制周期和费 用，减少铸件缺陷，提高铸件质量具有非常重要的意义。另外，充型过程的计算机模拟结果还可为 进一步的凝固过程的计算机模拟提供较准确的初始条件1 9 ，这对铸造过程t 艺的合理设定有着至关 重要的意义。 1 2 2 铸造过程模拟技术在国内外的研究进展 铸造过程数值模拟技术经过几十年的发展，从简单到复杂；从温度场到流场、应力场；从宏观 到微观，取得了长足进步，在实际生产中起到了重要作用【1 0 1 】。数值模拟技术是铸造行业的重要发 展方向之一，它包括铸件充型过程模拟、凝固过程模拟、铸造热应力模拟、铸造合金的微观组织模 拟，以及对铸造缺陷( 缩孔、缩松及热裂) 的预测【l 引。 1 9 8 3 年，美国匹兹堡大学的i l 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矩形水平型腔和阶梯式垂直型腔的充型过程【l 引。1 9 8 8 年， r a s t o e h r 等人进行了流动与传热的藕合计算【1 4 1 ，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【l5 1 ，并在水力模拟实验验证和压力迭代不收敛问题的处理上作了较多的 工作f 1 6 1 。 1 9 8 5 年，匹兹堡大学的c m h w a n g 将s o l a v o f 软件加以改进，计算了一个三爪滑轮的二维 充型过程，计算结果与高速摄影实验结果基本一致【1 7 】。1 9 9 3 年，该项技术又被用于消失模铸件充型 凝固过程模拟，预报了铸件充型过程中可能出现的模样材料卷入金属液内的缺陷【l 科。 1 9 8 7 年，丹麦科技大学的中国访问学者王君卿博十将二维s o l a v o f 发展成三维计算程序， 并加入三维传热计算，模拟了一个铸铁三通管的三维充型凝固过程，与实验取得了基本一致的结果。 研究还对比研究了二维s m a c 、s o l a 、s o l a v o f 及s i m p l e 软件，结果表明 1 9 1 1 2 0 ：s o l a - v o f 在计算速度上优于其他三种软件，而计算精度并无多大差别。 1 9 8 8 年，匹兹堡大学的h j l i n 和r a s t o e h r 博士将二维s o l a - v o f 与传热计算结合，预报了 扁平铸件充型时的冷隔情况【2 l 】。同年，日本东北大学的安斋浩一等人采用伪三维s m a c 方法解析了 压铸件的充填过程，预测了铝合金压铸件的冷隔缺陷，并与水力模拟实验对比，验证了充填过程数 值模拟结果f 2 2 】。 1 9 9 1 年，美国的s h a e c h e n 等人改进了二维的s m a c 算法，使其在流体流动计算结果的对称 性及流股交汇面的处理上有较大发剧2 3 l 。加拿大国家研究院工业材料所的c a l o o n g 等人采用三维 2 第一章绪论 有限元法模拟了压铸件的充填过程睇4 。 1 9 9 3 年在美国召开的第六届铸造、焊接和凝同过程模拟会议上，有十几篇文章介绍了在充型凝 固过程数值模拟技术研究方面的进展情况【2 5 1 ，主要内容包括：日本东北火学的新山英辅和安斋浩一 提出了一种自适应压力迭代法，解决了s o l a 算法压力迭代不易收敛的问题；日本人阪大学的大中 逸雄等人模拟了纤维增强复合材料铸件的三维充型和凝i 司过程，模拟中考虑了多孔介质内的流动及 反压影响；比利时w t c m 铸造中心的z a x u 和e m a m p a e y 模拟了球墨铸铁件的充型凝同过程，并 对v o f 法作了适当改进；德国m a g m a 公司的d m l i p i n s k i 等人在充型模拟中考虑了湍流的影响， 并在m u l t i f l o wt r a c e7 3 0 0 计算机上模拟了压铸件的三维充型凝i 司过程。 1 9 9 8 年，在美国圣地弧哥召开的第八届铸造、焊接和先进凝同过程模拟会议上，论文内容涉及 充型凝同过程模拟、铸件微观组织模拟及铸件应力应变模拟1 2 6 】。在充型凝l 矧过程模拟方面，日本大 阪火学的人中逸雄提出了一种采朋非结构化和非正交网格单元的直接差分新方法，能够克服充型模 拟中采用矩形入面体单元造成的边界上的计算误差，尽管在相同计算单元数的情况下，直接差分法 的计算时间是传统计算方法的2 3 倍，但由于所用计算单元数犬大减少，因此可以做到在不损失计 算精度的前提下c p u 时间与传统方法接近。美国流体科学公司的c w h i r t 等人阐述了用于消失模铸 造( l f 或e p c ) 的三维计算模型和计算方法，并将l f 模型和缺陷预测模型加入到商业化软件 f l o w - 3 d 中，较为成功地用在了汽车铸件上。伯明翰大学的m r j o l y l 等人对传统方法设计的灰铸 铁凸轮轴的浇注系统进行了研究，认为铸件内的气孔和夹杂主要是由于浇注系统内流体的过分湍流 造成的，文中用x 射线数据和两个软件包m a g m a s o f i 和f l o w 3 d 对上述问题进行研究。日本人阪 大学的j d z h u 等人对充型过程直接差分法计算所片j 的几何信息处理方法和压力迭代方法进行了改 进，大大节省了直接差分法的c p u 时间，计算精度却没有多人降低。实验结果表明，这种快速和实 用的算法可用于大规模充型凝| 古i 过程计算，所花c p u 时间比一些商业软件显著缩短，模拟结果与试 验结果吻合良好。 国内学者也做了大量的研究。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。相对于国外而言，国内的铸造模拟起步较晚，但在2 0 世纪 9 0 年代后发展迅速。目前清华大学、华中理工大学己分别能提供f t - s t a r 和华铸c a e 商品化软件， 并在三明重犁机器有限公司、二重等几十家单位应用，获得了良好的效果。国内有一些单位己经开 始了低压铸造数值模拟技术的研究。1 9 9 6 年清华大学的柳百成、闻星火对低压铸造铝合金轮毅模具 进行了现场测试，获得了许多有价值的数据【2 7 】，为低压铸造模拟软件的发展及模具设计提供了依据。 华中理工大学的林汉同等对低压铸造也进行了很多可贵的研究与探索，并且开发了铸造充型模拟及 凝同模拟软件【2 8 】，己经在许多厂家应用。华北工学院铸造工程研究中心对低压铸造进行了很多研究， 目前己经开发出铸造充型及凝同数值模拟软件，先后在多家厂家推广，取得了较为显著的效益【2 9 j 。 1 3 铸件在铸造过程中的数值模拟 1 3 1 充型过程的数值模拟 充型过程数值模拟是基于有限差分或有限元等数值方法来求解质量守恒方程和动量方程以得出 流体运动规律。s o l a - v o f 法是目前在充型过程计算机模拟多采用的方法。s o l a v o f 法用来求解 速度场压力场的迭代方法，v o f 处理自由表面。最初的s o l a - v o f 法用于求解二维具有自由边界 的非定常流动问题，随着计算机技术的发展，目前在三维领域得到了很好的推广p o l 【3 l 】。 1 3 2 凝固过程的数值模拟 通过铸件凝固过程数值模拟的计算，确定铸件的温度场，可以描述出铸件在任意时刻的温度分 布情况、凝固进程以及冷却速度情况【3 2 1 ，并可以以动态的方式显示铸件在三维方向上的各种情况， 以确定最后凝固的部位和分析产生缩孔、缩松缺陷的位置和大小【3 3 】i 蚓。目前，缩孔、缩松定量预测 的方法已经在铸造厂得到了广泛的应用，铸件凝固过程数值模拟软件也在国内外得到了广泛的应用 3 东南大学硕卜学位论文 【3 q 3 5 j 1 3 3 应力场的数值模拟 铸件凝固过程应力场模拟建立在传热学的基础上，三维应力场数值模拟涉及弹性塑性蠕变理 论，以及在高温状态卜的力学性能及热物性参数等，且比一般结构应力场复杂【3 1 1 。 早在2 0 世纪6 0 年代，科学1 ：作者就开始采用解析的方法对铸锭凝i 古| 壳进行应力模拟，随后在此 领域进行大量的数值模拟研究，尤其是近些年，随着热分析技术的逐步成熟，凝矧过程的应力场数 值模拟得到了快速发展。目前的虑力模拟主要针对铸件残余应力和残余变形的分析，现在己经历了 三个阶段：自主开发程序阶段、采用通用有限元分析软件加入应力应变本构关系模型或边界条件处 理模型阶段、铸什凝同模拟专用软件阶段【36 | 。 由于热应力产生在准同态区，金属处丁粘塑性和弹塑性范围内，具有复杂的传热过程，涉及与 凝同和收缩有关的界面传热、塑形蠕变、应力场与流体流动、热传递的藕合作用、铸件铸型相互作 用、微观组织的影响【3 刀等诸多问题，因而应力计算的数学模型至今仍不完善【2 引。 1 3 4 微观组织的数值模拟 铸件的微观组织对铸件的力学性能和使用性能有着直接的影响。因此，在铸造过程中，合理控 制工艺参数以得到理想的铸件微观组织是十分重要的。通过计算机模拟的方法，合理控制铸造工艺 参数，并对其调整，直到得到理想的铸件的微观组织，可以得到优良品质的铸件和优良的铸造工艺。 国外在微观组织数值模拟方面的研究进行的较早，已经提出了很多方法和模型来预测合金的形 核和长大过程，研究对象包括铝合金、镍基合金、球墨铸铁等，但是距离实际应片l 还有距剐2 9 1 。 1 3 5 温度场的数值模拟 铸件凝同过程数值模拟是铸造c a e 的核心内容，其最终目的是优化工艺设计，实现质量预测。在 温度场模拟的基础上进行缩孔缩松预测则是它的重要内型翊。 目前可以用于模拟铸造过程温度场的软件有很多种，其中p r o c a s t 软件是以有限元分析为基础 的大型通用c a e 软件。本文即基于p r o c a s t 软件，模拟了铸件凝同过程的三维温度场。只要掌握了 铸件凝同的先后顺序，就可以制定合理的浇铸工艺及设计合理的浇口及冒口的位置。这种温度场的 模拟尤其适用于大尺寸、小批量的铸件的生产，它可以减少铸件的试制次数，特别对贵重合金铸件 或大铸件可望获得一次成功，从而降低铸造成本，而且它可以提高铸件的成品率及工艺出品率【3 9 1 。 1 4 主要铸造模拟软件 1 4 1 铸造模拟软件的发展历程 按照铸件凝固软件的发展过程，可将其大致分为三代1 4 0 4 ”： 第一代模拟软件运用简单的模数计算方法模拟热流动，这种方法对于简单形状的铸件和具有连 续凝同方式的非合金铸件是适用的。然而它不能显示某一时刻铸件或铸型特定区域的温度变化，也 不能正确模拟具有相邻影响的复杂形状铸件的温度变化。 第二代模拟软件基于正确的温度场计算。铸件作为一个同体模型一般被分为许多微小的立体单 元( 差分单元) 。在己知合金比热、扩散潜热、合金导热系数和铸型热物理参数后，软件能够计算在每 个单元体中总热量以及一定时间后的温度值。通过计算可成功地模拟出热量的流动。这种模拟方法 可以以时间为参数显示铸件和铸型的温度变化，但不能准确预测出缩孔的位置和大小。第二代模拟 软件没有考虑凝固过程液体流动和密度变化的影响。凝固过程的重量变化和合金凝固特性以及补缩 通道都影响到铸件补缩金属的流动。 另外，第二代模拟软件没有考虑不同合金的凝l 古i 结晶特性。灰铸铁和球墨铸铁具有近似的热物 4 第一章绪论 理参数，当用第二代模拟软件分析时得出的凝同模拟结果是相同的，但二者在凝同特性上有巨大的 差异，碳元素转化的石墨形态对合金的凝固过程会产生很大的影响。很明显，凝吲模拟软件只有将 这些结晶特性加以考虑才可以得出可靠的模拟结果。 第三代模拟软件，运用正确的温度场计算并与凝同期间补缩金属流动相结合，同时对凝同过程 合金中的重量影响和密度及合金结晶变化加以分析。其模拟结果可以在选定的任一截面以二维或三 维实体方式显示，并可同时显示温度变化、液吲相变化及缩孔变化。 1 4 2 现行的主要模拟软件 m a g m a 软件是世界上第一个铸造商品化软件，在1 9 8 9 年由德国a r c h e n 大学s a h m 教授主持 开发。 进入9 0 年代以来，铸造凝f i l i i 过程模拟商品化软件的功能逐渐增强【4 2 】。其中德国的m a g m a 软 件、法国的s i m u l o r 软件及日本的s o l d i a 软件等都在温度场分析的基础上增加了三维流场分析功能， 大大提高了模拟分析的精度。目前，德国的m a g m a 软件等己具有三维应力场分析功能。国外商品 化软件的功能在一方面向低压铸造、压力铸造及熔模铸造等特种铸造方面发展的同时，另一方面又 正从宏观模拟向微观模拟发展，如美国的p 川a s t 软件及德国的m a g m a 软件己增加球铁组织中 石墨球数及珠光体含量的预测功能j 。 目前在美国、日本和欧洲，铸造过程数值模拟软件的使用己达到相当程度。表1 1 列出了现行 主要的铸造过程的模拟软件。 表1 1 现行主要铸造模拟软件4 3 】 由上表可以看出，现行使用较多的铸造模拟软件以国外的模拟软件居多，并且仿真模拟的水平 较高，其中m a g m a 和p r o c a s t 这两种软件具有更大的优势。m a g m a 和p r o c a s t 的技术特性对 比如下f 2 9 】： 1 数值计算方法 p r o c a s t 基于有限元法f e m ，m a g m a 基于有限差分法f d m ，关于有限元法f e m 和有限差分 法f d m 列表比较如表1 2 所示。 s 东南大学硕士学位论文 表1 2 有限元法f e m 和有限差分法f d m 列表比较 2 模块划分特点 两者在模块划分方面有明显区别，m a g m a 以铸造方法划分模块，强调软件应用的专业性，有 专用的铸铁模块、压力铸造模块和d i s a 造形模块等，各模块具有很强的专用性。 p r o c a s t 以分析铸造过程涉及的问题和求解功能划分模块，强调软件应用的灵活性和适片j 性。 其充型模块考虑了各种模型，能够模拟出气化模铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造等，并能对 注塑、压制蜡模、压制粉末等的充型过程进行模拟，这对操作者要求有较高的处理边界条件的能力。 3 接口问题 m a g m a 和p r o c a s t 都与机械c a d 系统具有良好的集成性。m a g m a 可直接读取外部c a d 文件数据并与自身构造的几何形状结合，还可读取p a t r a n 或s d r c 、i - d e a s 的有限元网格数据， 其本身带三维造型工具。 p r o c a s t 能够直接读取i - d e a s 、p a t r a n 、f e m 、g e f m 、a r i e s 、a n s y s 、u n i g r a p h i s 以及 p r o e n g i n e e , 等所建立的有限元模型。 由以上比较得知，p r o c a s t 能够精确地计算铸件充型及凝固过程的流场和温度场，因此，本课 题采用p r o c a s t 软件进行铸造模拟分析。 1 5 本课题的主要研究内容 为了提高生产效率，减小生产中的盲目性，本课题应用软件对铸件的生产过程进行模拟。首先 对数值模拟技术在国内外的研究进展进行了研究，介绍了现代数值模拟技术的模拟领域及现行的主 要模拟软件。介绍了铸造过程数值模拟方法及常用模型，以及p r o c a s t 和u g 等常用数值模拟及造 型软件。具体的模拟工作如下： ( 1 ) 采用造型软件u gi i 对铸件及其浇注系统进行三维实体造型，将p a r a s o l i d 格式作为与一 p r o c a s t 的接口文件类型。在模拟软件p r o c a s t 中进行网格的剖分、初始条件和边界条件的设定， 并且合理地选择数学模型，设置运行参数。 ( 2 ) 模拟铝液在铸件型腔中的充型过程，定性定量地研究铝液在内浇口的出口速度，通过对浇 注系统及浇注工艺进行优化，使得铝液在内浇口的出口速度降低。 ( 3 ) 模拟铝液在充型完毕后的凝固过程，通过模拟凝固百分率，研究补缩通道的畅通性，并 对铸件的收缩缺陷进行分析和预测。 ( 4 ) 在保证铸件质量的前提下，将浇注系统在生产单个铸件所需的铝合金总量中的比重减小， 提高工艺出品率和生产效率 6 第一章绪论 总之，通过模拟不同工艺参数下的铸件充型及凝同过程，并将模拟结果加以对比和分析，找到 各种工艺参数对铸件质量的影响规律，并通过调工艺参数达剑减少甚至消除缺陷的目的，从而提出 一个较为合理的铸造参数范围，达到优化生产工艺，提高铸件质餐和工艺出品率的目的。 1 6 本章小结 本章在分析了课题的背景及意义后，说明了本课题所做研究的必要性。对数值模拟及其在国内 外的研究进展进行了阐述，简要地介绍了现行的主要模拟软件及其各自特点。确定了本课题的主要 研究内容。 7 东南人学硕十学位论文 第二章铸造过程数值模拟方法及软件 2 1 铸件成形过程的基本理论 2 1 1 充型过程的数学模型【删 高温的金属液可以被看成不可压缩的牛顿流体，描述不可压缩牛顿流体流动的方程有连续性方 程、运动方程和能量方程。充型过程金属液自由表面问题的处理采用体积函数法。 1 连续性方程 流体的连续性方程实质是质量守恒定律的数学表达式。它是运动学方程，与力学无关，因此既适 用于理想流体，也适用于粘性流体。质量守恒定律可以表达为：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。对不可压缩流体，连续性方程的数学形式为： d i v p “：盟+ 兰+ 丝：o ( 2 1 ) 苏 砂 如 式中，“x ， ，“：分别为沿x ，y 和z 方向的速度分量。这表明不可压缩流体的速度散度为零。 2 运动方程 对于不可压缩流体，运动方程形式如下： d u ：一! 刚卯+ v v 2 二 ( 2 2 ) d tp 式中，f 一速度方向的力； p 一液体压力； p 金属液密度； d 金属液运动粘度系数。 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。 3 能量方程 能量方程数学表达式为： 勺警嵋删r = 刍机( 枷忉+ s ( 2 3 ) 式中，c 。一比热容o r 一温度； 五一导热系数； s 一内热源。 金属凝同过程中，结晶潜热的释放是金属凝固过程区别于一般导热过程的显著特点。对于凝固 过程结晶潜热的处理，可将其视为具有内热源的导热问题。 内热源s 项为： s ：三篮堑 a 丁貌 进而式( 2 3 ) 可以写为： 8 ( 2 4 ) 第 二章铸造过程数值模拟方法及软件 卜三篮o r l ) 塑a t = 万1 讲y 伽刎 式中，l 金属材料的结晶潜热5 丘温度为r 时的质量固相率。它是温度的函数，可以由s c h e i l 方程求得： l = i - ( 焉 石 m 式中，m 一溶剂金属的熔点； 乃一合金液相线温度； ( 2 5 ) ( 2 6 ) 疗一平衡分配系数。 4 自由表面跟踪【1 2 1 金属液充型过程属于带有自由表面的流动问题，求解这类问题的难点是确定自由表面的位置和 形状。目前，处理自由表面的方法主要有m a c 法年i i v o f 法。 m a c 法在e u l e r 矩形网格上建立了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 更大的适应性，特别适用于自由表面和多介质问题的计算。其主要特点是在格子中设标志点，标志 点本身不具有质量，于初始时刻设置在有流体的格子中，以后在流场中以对流速度运动。在单种介 质的问题中，标志点不参与力学量的计算，它只表明白由表面的位置、形状和流体的运动的历史。 在多介质的问题中，它参与力学量的计算，同时还给出不同介质的界面位置。m a c 法的突出优点是 能够生动地描摹带有自由表面的液流演化。 自由表面处理方法的另一个重大突破，是v o f 法的提出。1 9 8 1 年h i r t j q l n i c h o l s 提出了二维的v o f 算法。v o f 法定义了一个体积函数f ( x y , 0 ，表示网格中流体所占的百分比。这样，通过解出每个单 元中液相体积分数，就可以确定自由表面的位置和形状。同m a c 法相比较，这种算法的优越性在于 一个单元只需一个存储量，显著减少了自由表面的计算工作量。 2 1 2 充型过程数值模拟的常用方法1 2 】附】 1 s i m p l e 系列方法 n a v i c r - s t o k e s 方程的求解方法中，s i m p l e 方法属于以压力为基本变量的原始变量法，在不可 压缩流体的动量方程数值求解和可压缩流体流场的数值计算中应用非常广泛，是美国明尼苏达大学 p a t a n k a r 和s p a l d i n g 提出来的。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 rp 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，其最大的特点是是两场( 速度场、压力场) 同时迭代。它 是用速度的改进值写出的动量方程减去用速度的现时值写出的动量方程，在略去源项和对流扩散项 之后，再代入质量守恒方程的离散形式，来获得压力修正方程的。当解出压力修正值，对压力修正 值采用亚松弛后，用其改进压力及速度。计算出的速度场不仅满足连续性方程的要求，也满足动量 方程的要求。在s i m p l e 的众多改进算法中，较著名的有s i m p l e r 和s i m p l e c 。s i m p l e r 则对 压力的初值及更新采用独立求解压力方程的方法来得到，压力不作亚松弛，由压力修正方程求出的 压力修正值仅用于改进速度。s i m p l e 及s i m p l e r 算法可用来计算定域、不稳定的速度场的问题， 是典型的比较全面的计算方法。s i m p l e c 算法考虑了求解速度修正方程的“协调性”问题，而且压力 修正值不作亚松弛。 9 东南大学硕十学位论文 2 m a c 及s m a c 方法 m a c ( m a k e ra n dc e l l ) 方法由美国加利福尼亚大学的e h h a r l o w 和j e w e l c h 于1 9 6 5 年提 出的。这种方法在e u l e r 矩形网格上建立了n a