（材料加工工程专业论文）大高径比za27合金铸件挤压铸造过程数值模拟.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 挤压铸造又称液态模锻，是种介于铸造和锻造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造 的优点。挤压铸造的特点是金属在压力下充型和凝固，因而挤压铸件的晶粒细小、组织 致密、具有很低的缩孔和缩松倾向，可以达到与锻件媲美的力学性能；铸件与模具表面 接触紧密因而表面质量好、精度高、机械加工余量小。高铝锌基合金具有优良的力学性 能、耐摩性能、机加工性能、以及密度小、熔点低、原材料来源丰富和成本低等优点。 但是高铝锌基合金具有结晶温度范围宽，锌铝密度差异大等特点，在通常的铸造条件下 易出现缩松、偏析等缺陷，导致力学性能特别是塑性和韧性降低，从而限制了其应用。 锌铝合金挤压铸造结合了挤压铸造和锌铝合金的优点，在当今对铸件质量要求越来越高 的形势下，具有广阔的发展前景。但是，到目前为止，国内外的研究工作集中在高径比 小于3 o 的铸件上，为了扩大挤压铸造的适用范围，对大高径比挤压铸件的研究就显得 尤为重要。 本文利用大型有限元模拟较件a n s y s 对大高径柱形挤压铸件的温度场和应力场进 行了数值模拟。在温度场的模拟过程中，把整个过程分为自由凝固和冲头加压凝固两个 阶段a 在对结晶潜热处理的过程中，充分考虑了z a 2 7 合金宽结晶温度范围特点，采用 热焓法处理。在挤压铸造过程中，挤压变形时的变形速率对铸件的应力场影响较小，而 对挤压铸件应力分布起决定作用的是外层已凝固高温金属和模具之间的摩擦力和高温固 相金属的力学性能。因此，综合考虑挤压铸造应力场模拟的特点，本文采用弹塑性力学 模型对挤压铸件进行了应力场热力耦合模拟，将不同时刻铸件的温度场作为载荷施加到 应力场的模拟过程中，模拟大高径比挤压铸件内部比压的分布。同时通过改变铸件与模 具之间的摩擦系数、高径比等工艺参数对大高径比挤压铸件的压力损失规律进行了讨论 与分析，对扩大挤压铸造的应用范围和太高径比挤压铸件的实际生产具有一定的指导作 用。最后，以高脚杯形挤压铸件作为大高径比挤压铸件的实例，对其挤压铸造过程中的 温度场和应力场进行了模拟和分析。 关键词：z a 2 7 合金，挤压铸造，大高径比，数值模拟 鲨塑三些查堂塑主堂垡! 坚一 一 d i g i t a l s i m u l a t i o no f s q u e e z ec a s t i n g o fz a 2 7 a l l o y w i t hl a r g er a t i o o f h e i g h tt od i a m e t e r a b s t r a c t t h e s q u e e z ec a s t i n gi sa l s on a m e dl i q u i df o r g i n g ，w h i c hi sap r o c e s sm e r g i n gc a s t i n g a n d f o r g i n ga n dh a s t h ea d v a n t a g e so fb o t hc a s t i n ga n d f o r g i n g i t sc h a r a c t e r i s t i ci st h ef i l l i n ga n d s o l i d i f i c a t i o nu n d e r h i 曲p r e s s u r e ，s ot h eg r a m i sr e l a t i v e l yf i n e ，t h el i a b i l i t yt os h r i n k a g ei sl i t t l e ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yc a nb ec o m p a r a b l ew i t hf o r g e a b l ep i e c e ；b e c a u s eo ft h ec l o s ec o n t a c t b e t w e e n c a s t i n ga n dd i e , t h ec a s t i n gh a s t h ef i n ef a c i a lq u a l i t y , c o n s i d e r a b l ea c c u r a c ya n df e w m e c h a n i c a l p r o c e s s i n g r e m n a n t t h ez n - a 1a l l o yh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，s t r o n ga n t i f r l t i o np r o p e r t y ，p m c e s s a b l ep r o p e r t y ，s m a l ld e n s i t y ，l o w m e l t i n gp o i r 也a f f l u e n tr a wm a t e r i a l ，l o wc o s ta n ds 0o n b u tt h e7 m - a 1a l l o yh a sab r o a d s o l i d i f i c a t i o nt e m p e r a t u r es c o p ea n dc o n s i d e r a b l ed e n s i t yd i f f e r e n c e ，s oi th a st h el i a b i l i t yt o f o r ms 蛐n k a g ea n ds e g r e g a t i o nu n d e rt h eg e n e r a lc a s t i n gc o n d i t i o n ，w h i c hl e a d st ot h e r e d u c t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t y ，e s p e c i a l l yt h et e n a c i t ya n dp l a s t i c i t y ，w h i c hh a v el i m i t e dt h e a p p l i c a t i o n t h es q u e e z i n gc a s t i n go f z n - a 1a l l o ym e r g e st h ea d v a n t a g eo f c a s t i n ga n df o r e l e g a n dh a st h eb r o a dd e v e l o p m e n tu n d e rt h es i t u a t i o no fm o r ea n dm o r eh i g hd e m a n dt oe a s t i n g q u a l i t y u pt on o w a l lo f t h er e s e a r c h e sw e r ef o c u s e do nt h ec a s t i n g sw i t c hr a t i oo f h e i g h tt o d i a m e m ri sl e s st h a n3 0b o t hi n t e r i o ra n de x t e f i o r ，i no r d e rt oe n l a r g et h ea p p l i c a b l ee x t e n to f s q u e e z ec a s t i n g ，i ti se s s e n t i a lt oe a r l y o u tt h er e s e a r c ho ns q u e e z ec a s t i n gw i t hl a r g er a t i oo f h e i g h t t od i a m e t e r i nt h i sa r t i c l e ，t h el a r g ef e ms o f t w a r e ，a n s y s ，w a se m p l o y e d t os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r e f i e l da n dt h ep r e s s u r ef i e l d d u r i n gt h es i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ew h o l ep r o c e s sw a s d i v i d e di n t ot w os t a g e s ，f r e es o l i d i f i c a t i o na n ds o l i d i f i c a t i o nu n d e rp r e s $ u r e t h eh e a t - e n t h a l p y m e t h o dw a su s e dt od e a lw i t ht h el a t e n th e a ta l l o w i n gf o rt h eb r o a dc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e i n t e r v a lo fz a 2 7a l l o y d u r i n gt h ep r o c e s so fs q u e e z ec a s t i n g , t h ep r e s s u r ef i e l di sm o s 姆 a f f e c t e db yt h ee x t e r n a ls o l i d i f i e dm e t a la n dt h ef r i c t i o nr e s i s t a n c eb e t w e e nt h ec a s t i n ga n d m o d d t h e r e f o r e ，t h ep r e s s u r ef i e l dw b s s i m u l a t e d b yu t i l i z i n gt h ee l a s t i e - p l a s t i cm o d e lc o u p l e d w i t ht h e t e m p e r a t u r e f i e l da f t e rt h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o na b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e 2 鲨塑三些查兰堕主堂堕堡苎 p r e s s u r ef i e l ds i m u l a t i o n t h ec o u p l e d s i m u l a t i o nm e a n st h a tt h er e s u l to f t h et e m p e r a t u r ef i e l d w a sp u to nt h es i m u l a t i o no fp r e s s u r ef i e l da sl o a d m e a n w h i l e ，t h r o u g ha l t e r i n gt h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，r a t i oo f h e i g h tt od i a m e t e r ，t h ep r e s s u r el o s sr u l e so f s q u e e z ec a s t i n g w i t hl a r g er a t i o o fh e i g h tt od i a m e t e rw l ：t e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，w i t c h h a v ei n s t r u c t i v e m e a n i n gf o r b r o a d e n i n gt h ea p p l i c a b l ee x t e n ta n dp r a c t i c a lp r o d u c t i o n a tl a s t , a st h ee x a m p l eo fs q u e e z e c a s t i n gw i t hl a r g er a t i oo fh e i g h tt od i a m e t e r ，t h et e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s sf i e l do f h i g h - l e g c a s t i n g w e r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d k e yw o r d s ：z a 2 7a l l o y ，s q u e e z ee a s t ，l a r g er a t i oo fh e i g h tt 0d i a m e t e r , d i g i u d s i m u l a t i o n 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：饭署 沈阳工业大学顿+ 学位论文 1 绪论 1 1 锌铝合金的概述 十九世纪中期就已经开发出的铸造锌合金，由于当时无法获得纯度较高的原料锌致 使合金铸件易产生晶间腐蚀，因而其发展和应用受到限制。进入2 0 世纪以来，由于工 业技术的不断进步，工业锌纯度得以提高，同时通过对锌合金生产技术的改进和完善使 传统的锌合金铸件质量有了显著的提高，从而促进了铸造锌合金的发展和应用。德国早 在二次世界大战结束前就成功地用锌合金代替铜合金做轴剥”，6 0 年代初国际铅锌研究 组织( l z r o ) 开发了z a 2 合金，7 0 年代末加拿大n o r a n d a 矿山研究中心又成功地研 究出适合于金属型铸造的z a 8 和z a 2 7 合金。这样就使锌铝合金发展为一个系列【2 咽。 高铝锌基合金具有优良的力学性能、耐摩性能、机加工性能、以及密度小、熔点 低、原材料来源丰富和成本低等优点1 7 1 。但是锌铝合金结晶温度范围宽。锌铝密度差异 大等特点，通常在铸造条件下易出现缩松、偏析等缺陷，导致力学性能特别是塑性和韧 性降低，从而限制了其应用【钔。机械压力作用下金属与合金的凝固工艺给锌铝合金的应 用带来新的活力，因为此工艺使液态金属在压力下结晶和凝固，因而可以细化晶粒、均 化组织、减轻偏析和消除内部缺陷，有利于力学性能的进步改善【9 】。机械压力作用下 成形可以显著她提高锌铝合金的力学性能，尤其是塑韧性和耐磨性能。目前已用锌铝合 金代替了部分青铜、黄铜、铸铁甚至球铁等作结构材料，同时在作模具材料及其它必须 领域的应用也正在开发和扩展口l 。因此不论是开发挤压铸造本身还是扩大锌铝合金的应 用范围，都具有很大的经济效益和社会效益。可以相信，随着锌基合金的潜在市场逐渐 被开发高铝锌基合金的应用前景将十分广阔( 1 0 1 。 1 2 机械压力作用下金属与合金凝固概述 机械压力作用下金属与合金凝固是指对浇入铸型型腔内的液态金属施加较高的机械 压力，并使其成形和凝固从而获得优质铸件的一种工艺方法。此工艺被称为“液态金属 模压”或“液态模锻”，后来也称之为“挤压铸造，【】。挤压铸造是一种介于铸造和锻 造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点。挤压铸造的特点是金属在压力下充型和凝 沈阳工业大学硕士学位论文 固，因而挤压铸件的晶粒细小、组织致密、具有很低的缩孔和缩松倾向，可以达到与锻 件媲美的力学性能；铸件与模具表面接触紧密因而表面质量好、精度高、机械加工余量 小；生产率与压铸相当。挤压铸造工艺于1 9 3 7 年在前苏联问世，它 b 压铸工艺约晚 1 0 0 年，于本世纪8 0 年代开始在欧洲和日本进行商业化生产，用于生产高质量的铸 件。在日本，丰田汽车公司费时八年在1 9 7 9 年成功地完成了铝合金汽车轮毂液态模锻 的研究，工艺应用达到新水平，并获得关于液态模锻过程中热传导、结晶组织、成分偏 析和载荷损失等理论研究成果；英国学者s c h a t t e r j e e 等对铝合金强化机制进行成功的 研究。美国芝加哥伊利诺斯理工学院工艺研究所到8 0 年代初进行了3 0 多项工艺研究。 我国从1 9 5 7 年开始此工艺研究，到6 0 年代中期，只有少量铝合金用于生产，7 0 年代 初部分高校和研究所相继开展该项工艺的基础研究，推动了我国在该工艺领域的较快发 展【1 2 1 。 1 2 1 机械压力作用下金属与合金的凝固特点及分类 机械压力作用下金属与合金凝固是一种借鉴于压力铸造和模锻工艺而发展起来的新 型加工工艺。它是将液态金属在较高机械压力下结晶和塑性成形，从而获得优良铸件。 既有工艺简单、成本低的铸造优势，又有性能好、质量可靠的锻造特点1 3 】。另外，挤压 铸造还具有节约能源和减少环境污染等优点，是目前国内外大力发展并具有广阔前景的 一项先进技术。挤压铸造工艺的主要特点【1 2 , 1 4 , 1 5 1 可概括为： ( 1 ) 成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终承受等静压，并在压力作用下，发 生流动成形，结晶凝固。 ( 2 ) 已凝固的金属，在成形全过程中，在压力作用下产生塑性变形，使制件外侧 紧贴模膛壁，生产出制件有较高的表面质量和尺寸精度，其级别能达到压铸件水平。 ( 3 ) 由于结晶凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静 压不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降。 ( 4 ) 固一液区在压力作用下，发生强制性补缩，从而消除制件内部缩孔、缩松之 类铸造缺陷，以提高制件机械性能和其它性能。 沈阳工业大学颁士学位论文 ( 5 ) 明显细化晶粒，加快凝固速度和使组织均匀化，力学性能可达到同种合金锻 件水平。 ( 6 ) 金属液利用率高，由于通常没有浇注系统，加上采用定量浇注，浇入铸型中 的金属液几乎全部形成铸件。 ( 7 ) 挤压铸造一般都是在挤压机上进行，故而便于实现生产过程的机械化、自动 化，因此生产率高。 与压力铸造相比较，除了以液态金属作原料这点相同之外，还有许多不同之处： ( 1 ) 态金属注入型腔的方式不同，压力铸造是借助压力，沿着浇注系统在极短时 间内将熔融金属液以高速充满闭合的型腔，而此工艺金属液是通过直接注入模膛内，其 浇注速度是不高的。 ( 2 ) 力的传递方式不同，压力铸造靠浇注系统传递压力，而此工艺的压力传递通 过施压冲头直接施加( 或通过已凝固壳) 在金属液面上，除了在成形过程中已凝固层塑 性变形要消耗一部分能量外，冲头的全部压力都用在使金属液获得等静压，并在整个凝 固过程中保持它，因而金属液始终在压力作用下发生结晶凝固，流动成形。 与模锻相比，除了在压力作用下，在闭合金属模膛内成形这点相同外，也有下面的 不同点： ( 1 ) 模锻时，原始材料与模膛形状不一致的，为了获得与模膛轮廓形状一致的毛 坯，必须在压力下使金属发生镦粗，压挤等强烈的塑性流动，以填充模膛获得一定的毛 坯；而机械压力作用下金属凝固则不具有上述特征，因为合模时，金属液在上模块和模 梁的自重作用下，使金属液可以发生流动以填充模膛，在成形过程中，也有塑性流动， 但这种塑性流动是有限的，因而此组织不可能是明显的塑性变形组织。 ( 2 ) 对于形状复杂的模锻件，均要采用多模膛模锻才能成形，而对于机械压力下 金属凝固一次便可成形。前者成形时所需要的设备吨位比后者大的多。 机械压力作用下金属与合金凝固分类方法很多 1 1 , 1 6 , 1 7 】：按所浇注金属的状态分 为：液态金属挤压铸造，半固态金属挤压铸造和复合材料挤压铸造三大类；按所施加 压力的大小分为：低压力挤压铸造，中等压力挤压铸造和高压力挤压铸造；按液态金 沈阳工业大学硕士学位论文 属在铸型中的充型特点和凝固时所受压力的状态分为：柱塞式挤压、冲头式挤压和特殊 挤压三种类型，按挤压力对液态金属的作用形式分为直接式挤压铸造和间接式挤压铸 造两大类，而每类挤压铸造按其作用于液态金属上力的方向以及液态金属流动方向，又 可分为不同的挤压铸造方式。 1 2 2 机械压力作用下金属与合金凝固过程工艺参数 机械压力作用下金属凝固的主要参数归纳为： ( 1 ) 浇注温度( t d ) ：浇注温度直接影响着挤压开始时自由凝固层的厚度和挤压 凝固过程中液态金属总热量的散失，进而还影响凝固时间、凝固速度和铸件补缩问题。 ( 2 ) 铸型预热温度( t o ) 与铸型工作温度( t w ) ：铸型预热温度和铸型工作温度 对挤压过程最直接的影响是加压前自由凝固层的厚度，其次为铸件的凝固时间。一般在 实际生产过程中，t 0 与t w 之间有这样的关系：l 产_ t d + 5 0 c 。 ( 3 ) 开始加压时间( 一。) ：开始加压时间是指合金浇入型腔至开始加压的时间间 隔。开始加压时间过晚，致使金属自由结壳厚度增大，增加变形抗力，降低加压效果， 影响铸件质量。一般开始加压时间增长，合金的抗拉强度及延伸率均降低且开始加压时 间越长，要获得合格铸件所需工作压力越大。 ( 4 ) 加压速度( v ) ：加压速度指冲头接触金属液后的运动速度。速度过高易使 液态金属形成旋涡而吸入气体，引起金属液飞溅，促使铸件形成披缝，甚至产生裂纹。 相反，加压速度过低，液态金属自由结壳太厚，影响加压效果。 ( 5 ) 比压( p ) ：比压是指接触面上的平均压力。一定的比压可使金属液在静压作 用下去除气体，以避免产生气孔、缩孔、缩松等铸造缺陷，从而提高产品力学性能。 ( 6 ) 保压时间( th ) ：保压时间的作用是使压头有足够的时间将压力传递给未凝 固的金属，使之在压力作用下结晶，以获得组织致密的铸件。保压时间主要取决于铸件 的材质、壁厚和形状复杂程度，它对铸件凝固组织的形成和补缩特性产生重要的影响， 是一项重要的参数。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 7 ) 高径比( h d ) ：高径比指铸件高度h 与其直径d ( 或厚度) 之比值。高径 比与有效压力的分布有直接关系，高径比过高，则可能导致作用在铸件上的有效压力过 低，导致挤压效果不佳，因而它也是一项重要的工艺参数。 1 2 3 机械压力作用下金属与合金凝固的物理冶金及动态凝固过程 机械压力作用下金属与合金的凝固是一种高压下凝固成形的过程，它具有两种重要 的特征：压力使金属内部的组织得到改善；压力使半凝固状态金属成形性得到改善。其 中原因主要是，高压下使金属的热力学状态发生变化。罗守靖等人假设了其三种热力学 模型【9 】： ( 1 ) 绝热压缩型 机械压力作用下金属凝固时，施加于半凝固状态的金属上的压力急剧的使金属压缩 形成高压现象，相当于热力学上的绝热压缩，推导其温度与压力的关系为： 刀= 型a h 卯 ( 1 1 )-_i 式中：p 压力。 r 韫度； 日摩尔焓： v 体积。 若考虑凝l 司温度的改变与a v 、盥相比较小时，r 可视为常量( 1 1 ) 式积分解近 似为 a t ：f 型 p l h ( 2 ) 等温压缩型 假设温度为恒定的，等温压缩下高压自由能的变化为 a g ( t ，p ) = a g ( t ，p = 1 ) + la v d p 式中：g 当凝固温度为t k 时，凝固前后摩尔自由能差； a v 金属凝固前后摩尔体积差。 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 沈阳工业大学硕士学位论立 ( 3 ) 混合压缩型 在机械压力作用下金属凝固时，由于硬壳的存在，封闭在硬壳中待凝固的金属液所 受到的等静压是变化的，制件与模具界面热阻随着硬壳的增厚而上升，因而，温度也不 是固定的，故自由能应是温度和压力的函数： d 丁 d p ，a g 【面 l ( 等 r 悟 ，掰 l 卯 r r s 、 p ( s ) ( 1 4 ) 动态凝固过程是指熔体受到某种物理性干扰，使正在长大的树枝状晶熔断、脱离和 游弋于熔体中的现象。机械压力作用下金属与合金动态凝固过程包括浇注时的机械冲 刷；金属液内由于密度差引起的自然对流：异形冲头压制下反向的金属液流动；硬壳层 塑性变形时的补缩性枝晶间金属塑性流动：选择结晶产生的低熔点物质的流动等五种形 式。这些流动，阻止了树枝状晶体的粗化，细化了枝晶组织【2 0 】。 1 2 4 机械压力作用下金属与合金凝固的力学成形过程 液态模锻是高压下结晶凝固和塑性变形下强制补缩一密实两过程的复合。 注入金属模膛内的金属液，在模壁四周和模底形成一敞口底激冷凝固层。随后合 模，冲头端面与金属液接触处。迅速形成一硬薄层，新老硬层组成一封闭腔，将待凝固 金属液包围在腔内( 如图1 1 a 所示) 。显然，液态模锻下，金属液被封闭在一硬壳内， 没有补缩冒1 2 1 ，金属液所发生的体收缩，只能靠冲头施力p 0 迫使外壳产生减缩高度的 塑眭变形来补偿，同时金属液承受等静压p 1 。这一规律可以用图1 1 b 来表示。即塑性 变形结果，使金属液获得等静压，而处于等静压下的金属液，才有可能获得在压力下结 晶凝固的各种特性，并迅速使凝固前沿的金属液挤入因凝固收缩所造成的孔隙中，达到 完全补缩的目的。每一循环使凝固前沿向金属液内推进一层，直至过程结束。 外力p o 迫使外层产生塑性变形，要消耗一部分功，传递至液态金属的有效压力p ， 比p 0 小，并且随着凝固层的不断增厚，塑性变形功不断增大，而p l 不断减小。如果外 沈阳工业人学硕士学位论文 壳层增至某一厚度，硬壳层内尚未凝固的金属液在没有压力的状态下结晶，最后形成缩 孔和缩松。因此外力p 0 的大小必须能保证壳层的塑性变形，直至凝固结束和随后密实 过程完成。这就是工艺参数比压值确定的依据。 乙乙 l ，- 羲 i 、 、e 曩、 一一i、 、 a ) 一舢 图1 1 液态模锻下力学过程示意豳 b 1 机械压力作用下金属与合金的凝固体可认为是一个多变的连续组合体，即已凝固的 封闭外壳层、正在凝固的固液区和液相区，三位一体，组成一个连续的组合体【2 ”。 液态金属浇入模膛结成一敞口硬壳层后，冲头下移，施压在金属液和凝固壳层上。 这一过程金属流动方式可分为四个阶段：初期金属塑性流动方式、基本金属塑性流动方 式、最后阶段的金属塑性流动方式、密实金属的塑性流动方式 2 2 1 。 1 3 铸造过程数值模拟技术概述 近年来，随着计算机技术、数值模拟技术以及计算力学和计算传热传质学的迅速发 展，工业发达国家非常注意将最新的三传( 传热、传质和动量传输) 理论应用于工程设 计，铸造领域也不例外。自1 9 6 2 年丹麦f o r s u n d 第一个采用电子计算机模拟铸件凝固 过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛应用。从6 0 年代开始的凝固过程数值 模拟，8 0 年代初开始充型过程数值模拟和铸件应力应变场数值模拟，到9 0 年代兴起铸 件微观组织模拟的研究，数值模拟技术已渗入到铸件形成过程的各个方面嘲。 沈阳工业大学硕士学位论文 铸造过程的数值模拟技术是学科发展的前沿领域，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，铸件充型凝固 过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸件充型凝固过程的数值模拟可以帮 助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量，已 成为铸造领域最热门的研究课题之一。深入开展该领域的研究、开发和应用，对改变我 国铸造业落后面貌，推动铸造生产现代化，增强中国铸件产品在世界市场的竞争力，具 有十分重要的意义凹筇1 。 1 3 1 数值模拟的基本方法 在铸件凝固过程的数值模拟中，数值计算都是把连续体进行离散，从而把偏微分方 程变成代数方程组进行求解。宏观数值模拟的基本方法主要有：有限差分法( f d m ) 、 有限元法( f e m ) 和边界元法( b e m ) 。近年来，由于模拟微观形核、枝晶生长和液 故界面移动等物理现象的需要又引入了一些新的数值模拟方法，如有限体积法 ( f 讧) 、网点点阵法( c e l l u a r a u t o m a t i o n ) 等。 ( 1 ) 有限差分法( f d m ) f d m 以离散数学为基础，其实质是把研究物体从时间、空间上分割成许多小单 元，对这些单元用差分方程式近似代替微分方程式，设定初始条件和边界条件，逐个计 算各个单元。现有的铸造凝固过程温度场数值模拟软件多采用f d m 。因其算法公式容 易推导，易于程序实现，网格剖分算法简单，且计算费用远远低于f e m ，在处理缩 孔、缩松形成过程中的动态边界问题及铸造过程温度场中特殊问题时，f d m 及其软件 具有明显优势。在铸造领域中，f d m 经三十年的发展，已在温度场及流场模拟、缺陷 预测等方面取得大量成果1 2 6 】。 ( 2 ) 有限元法( f e m ) f e m 是目前工程技术领域中实用性最强，应用最为广泛的数值模拟方法。它的基 本思路是将求解区域离散为有限个按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，通过构 造插值函数，根据变分原理或加权余量法，建立有限元方程。由于有限元法节点配置的 沈阳工业大学硕上学位论文 方式任意性，对于形状复杂的形体可以使边界节点完全落在区域边界上，使边界有较好 的逼近。经过离散化得到与微分方程初值问题等价的积分表达式。与其它数值方法相 比，f e m 的突出优点是能够求解具有复杂的几何边界条件、几何形状和不均匀材料问 题，所以更适合用于对铸造系统等各种复杂问题进行分析。 f e m 是1 9 4 3 年由c o u v a n t 提出来，但直到六十年代，随着电子数值计算机技术的 发展，f e m 的发展速度才显著加快。到七十年代中期，全世界己有3 0 0 多个通用有限 元程序，其中较著名的有：a d i n a ，n a s t r a n ，s a p 等，但多数只是计算程序，没有 前后处理功能。到了八十年代，随着计算机技术的迅速发展，有限元程序吸取了计算机 图形学、数据库技术等方面的成果，己由单一的计算程序发展为一门综合性技术有 限元软件技术，并成为工程数值分析的有力工具。 近几年，通用的有限元软件有了突飞猛进的发展，国外已出现了许多大型的融合计 算数学、力学、计算图形学等最新成果的功能齐全的通用有限元软件，如n s t r a n 、 a n s y s 、p a t ra 卜i 等。 铸造过程应力场数值模拟技术的研究进展缓慢，专用有限元软件很少。由于商品化 有限元软件功能不断扩大，前、后处理技术逐渐完善，使用起来更加方便，并且多采用 开放式结构，有很大的开发潜力，所以铸造过程应力场的模拟计算主要是利用通用的商 品化有限元分析软件。 ( 3 ) 边界元法( b e m ) b e m 是把定义域的边界划分为一系列单元，用满足控制方程的函数来逼近边界条 件。边界元法计算形式复杂，由于以边界为着眼点，对一些有限边界区域的问题求解显 得特别有效。b e m 虽然也可用于温度场、应力场模拟，但对同一问题。b e m 分析的模 型规模小，数据量很少，计算时间长。目前，此法在处理凝固区域不均匀介质时，仍有 许多问题尚未解决，还不成熟，商品化软件很少，仍处于探索阶段口”。 1 3 2 温度场数值模拟技术的发展现状 铸造过程的数值模拟是从温度场的数值模拟开始的，它是一切铸造数值模拟的基 础。铸造过程温度场数值模拟不仅能够帮助铸造工作者预测和分析铸件缩松、缩孔、裂 沈阳工业大学硕士学位论文 纹等缺陷，而且为计算铸件的应力场，优化铸造工艺，提高铸件尺寸精度及稳定性提供 科学的依据。 铸件凝固过程温度场数值模拟起源于六十年代，丹麦的f o r s t m d 把d u s i n b e r r e 等人 在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，他的这一尝 试开辟了用计算机数值计算方法进行凝固理论研究的新途径。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 用瞬态传热程序等对大型铸钢件进行了温度场数值模拟 2 8 1 。 这些最初的成功使研究人员意识到，用计算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨 大潜力和广阔前景。至此，世界上许多工业发达国家都相继开展这方面的研究工作。美 国铸造学会在1 9 6 6 年制定了一套长远的研究计划。1 9 7 0 年，m i c h i g a n 大学的m a r r o n e 等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著进步。法国铸造 技术中心g s e i a m a 、法国g r e n a r l e s 工艺研究所、挪威d a v i e s 、加拿大b r i m a e o m b e 以 及其他国家的研究人员，对凝固温度场数值模拟中的计算方法、潜热处理、对流换热、 边界条件、补缩距离及毛细补缩等进行了不同程度的研究。这些成果对铸造温度场数值 模拟走向实用化起了巨大的推动作用【2 9 1 。 到八十年代中期，凝固过程温度场数值模拟技术的发展已趋成熟，并有相应的商品 化软件出现。1 9 8 9 年，世界上第一个铸造c a e 商品化软件m a g m a 由德国a a c h e n 大学的s a h m 教授主持开发，以温度场分析为核心内容，运行于工作站上。9 0 年代以 来，铸造c a e 商品化软件功能逐渐增强，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【3 0 】。 九十年代以来，铸造c a e 商品化软件功能逐渐增加。其中德国的m a g m a s o f t 具有三维应力场分析能力，采用f d m f e m 相结合的技术路线。原先m a g m a s o f t 采用自己开发的f e m 软件，但目前已转变为采用与国外商品化有限元软件集 成的方法。以及美国的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 及r 本的s o l d i a ，c a s t e m 软件。从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、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、应力场的数值模拟，并可以预 测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织，大大提高了模拟分析的精度。 沈阳工业大学硕士学位论文 我国在这一领域的研究起步较晚，但由于是众多院校、工厂、研究所参加，国家又 重点支持，组织联合攻关，同时又不同程度地吸取和借鉴了国外先进的研究成果和经验 教训，所以进展较快。“六五”期间，由沈阳铸造研究所、第一重机厂、西北工业大 学、大连工学院、沈阳工业大学、哈尔滨科技大学组成联合攻关组。以大型铸件凝固控 制为题，进行联合科技攻关，在研究中广泛应用了数值模拟和物理模拟手段 3 1 。 进入八十年代后，模拟技术发展更快。西安交通大学的杨秉俭等人研究和开发了对 铸造生产尽可能通用的微机用三维凝固模拟系统s o l 3 d ，该系统可以完成三维温度场 计算，并具有一定的工程计算精度，在应用于预测收缩缺陷中与实际检验结果相吻合 d 2 。 沈阳工业学院宋广胜等采用有限元数值模拟的方法对金属型铝合金活塞凝固过程的 温度场分布进行了计算。前后处理采用商品化软件，用所开发的接口程序实现计算主程 序与前后处理软件间数据传递与处理。为了验证计算结果的准确性，在铸件及铸模上各 选一个参考点，对参考点温度值随时间的变化，进行了现场测定，并将计算结果与实测 值做了对比，最后分析了误差产生的原因p 引。 河北工业大学赵维民等以板锤铸件凝固过程温度场变化为研究对象，通过有限单元 法，对铸件温度场进行模拟，基于模拟结果采用温度曲线法和温度梯度法对铸件的缩孔 进行预测，并结合温度应力耦合对铸件的热变形和热裂缺陷进行预_ i 贝4 p 4 】。 重庆大学赖宏，刘天模结合材料变温过程热物性参数的变化，利用a n s y s 有限元 分析软件对几何外形复杂的4 5 # 钢零件淬火过程温度场进行模拟，得到了零件温度随淬 火时间的分布关系，模拟结果与实际过程相符【3 5 j 。 江苏大学严学华等以有限元法为数学基础，对锌合金涡轮铸造成形过程中的温度场 进行数值模拟。在模拟过程中，分别通过改变有限单元格的大小、浇注温度、钢芯和铸 模的温度等主要参数，显示了详细的温度场变化j 隋况。根据模拟结果，确定了最佳工艺 条件，通过试验对铸件进行温度场实测，验证了模拟的正确性【3 6 】。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 , 3 3 应力场数值模拟技术的发展现状 9 0 年代以来，铸造凝固过程温度场、流动场数值模拟技术已日趋成熟，铸造c a e 商品化软件功能逐渐增强，大大提高了模拟分析的精度。1 9 9 3 年，日本丰田汽车公司 在荷兰的第6 0 届世界铸造会议上发表了用大型计算机进行发动机缸体及轮毂三维残余 应力分析的文章，标志着铸造凝固过程应力场模拟仿真分析朝着工程实用化迈出了一大 步p 订。 日本的y o t s s u k a 等采用f e m 对灰铸铁气缸体件模拟铸造残余应力，他们在实测 边界温度基础上，利用有限元软件m c s n a s t r t a n 求得温度场分布，用有限元软件 a b a q u s 进行应力场分析，得到了残余应力分布，模拟结果和实测结果吻合。目前， 德国m a g m a 等商品化软件已具有三维应力场分析功能。最初，它采用f d m f e m 联 合分析的技术路线，即用f d m 分析流动场、温度场、用f e m 来分析应力场。其中 f e m 采用商品化的有限元分析软件。现在正全部改进用f d m 技术。其它c a e 商品化 软件的应力场分析绝大多数也采用f d m 方法，如美国的p r o c a s t ，但模拟分析的准确度 有待进一步提高9 8 1 。 国内关于应力场数值模拟的研究相对较晚。始于8 0 年代后期。清华大学的陈瑶、 康进武等借助于通用的商品化有限元分析软件a n s y s ，采用f d m f e m 集成的方法， 开发了三维应力场模拟分析系统，取得了较大成功。另外，哈尔滨工业大学、大连理工 大学、华北工学院、中国纺织大学等单位都进行了一定的研究，取得了可喜的成就。上 海交通大学的王业双等对热裂形成理论和热裂倾向性做了一定的分析，重点介绍了强度 理论、晶间搭桥理论、凝固收缩补偿理论和c s c 判据、h c s 判据，并展望了热裂的研 究趋势唧。 华北工学院程军等通过铝硅合金准固态力学行为和流变性能的测试，获得了该合金 铸件凝固过程应力应变本构方程。并在此基础上开发了考虑材料高温力学性能，分析三 维轴对称铸件凝固过程热粘弹塑性问题的热应力模拟程序，对带热节铝硅合金铸件的计 算表明，计算结果与实验结果吻合较好【3 9 】。 沈阳工业人学硕上学位论文 昆明理工大学李世芸等采用有限元方法分析了铸件在凝固过程中的温度变化及由此 产生的热应力分布，用大型通用有限元软件a n s y s 为工具进行数值计算分析，并给出 了计算结果【4 0 1 。 华北工学院赵宇宏等用数值模拟方法研究了铸钢件凝固过程的热应力场，并计算了 标准应力框的应力和位移。应力框变形模拟结果和实际情况基本一致，为进一一步研究热 裂提供了依据【”1 。 新兴铸管( 集团) 有限责任公司李铁良等在对管模生产条件下的热态工况进行分析 的基础上，利用有限元数值模拟方法首次建立了管模传热分析轴对称模型。在模型中对 管模传热系统中的对流、辐射、接触边界条件和凝固潜热进行了处理。利用有限元分析 软件a n s y s ，分析了2 1 c r m o l 0 材料管模的温度场、热应力场的变化。数值模拟结果 与试验测量结果以及实际生产中管模的破坏状况相符合【4 2 1 。 1 3 4 机械压力作用下金属与合金凝固过程数值模拟技术的发展现状 关于机械压力作用下金属与合金凝固过程数值模拟技术，国内外学者对此进行了一 些研究，主要研究的是其凝固过程。 西北工业大学李贺军等采用有限差分法对液态挤压过程的温度场变化及凝固过程进 行了模拟，合理的解决了变形及差分网格变化的关系，使凝固过程中不同时刻、不同状 态的温度场得到直观的显示【4 3 j 。 河北科技大学马静等通过数学建模对柱形件液态模锻的温度场进行了研究，计算了 在凝固过程中的凝固收缩和加压补缩作用下的缩孔体积，建立了差分方程，编制了通用 性软件，并以高锰钢为例进行了工艺研究。结果表明，液态模锻中比压、保压时间和冲 头压下速度是控制铸件不产生缩孔的三个重要因素，该软件对液态模锻件缩孔的预防具 有指导作用1 4 4 , 4 5 。 沈阳工业大学白彦华等在柱坐标系下建立了描述挤压铸造z a 合金凝固过程的固液 两相流数学模型，采用数值迭代方法对该数学模型进行求解，得到了挤压铸造z a 合金 凝固过程中温度、浓度的分布情况。结果表明，增大挤压力能够加快合金凝固速度，缩 短凝固时间，同时能够减缓比重偏析现象1 4 6 。 沈阳工业大学硕士学位论文 北京理工大学张朝晖等采用大变形弹塑性有限元理论，用a n s y s 5 5 软件对不同挤 压参数下钨合金静液挤压过程进行了数值模拟研究，建立了合理的计算模型，得出了挤 压压力、试样内部应力应变场随模具角度、变形量、摩擦因数的变化规律。与光刻网格 的挤压结果进行了比较，说明有限元法的计算结果和实验结果符合很好。还探讨了挤压 过程