（机械设计及理论专业论文）基于数值模拟的铸钢件工艺分析与优化设计.pdf

浙江大学硕士毕业论文 摘要 当前，铸件充型凝固过程数值模拟是最具竞争力的铸造工艺研究方法。通过 充型凝固过程的数值模拟，可以预测铸造缺陷，优化铸造工艺参数，确保铸件质 量，缩短试制周期，降低生产成本。 随着c a d c a e 软件的不断发展，越来越多的公司将其应用到企业中，指导实 际生产。本文的工作与宁波东电电力设备有限公司合作进行，以s o l i de d g e 软 件为前处理平台，以p r o c a s t 软件为模拟平台，展开了如下的研究工作： s o l i de d g e 与p r o c a s t 间复杂模型的数据转换一直存在问题，成为进行数 值模拟的障碍。因此，本文首先针对两款软件的接口方式进行研究，寻求有效的 方案解决前处理过程中复杂模型的数据交换问题。 结合工厂实际生产的需要，对拖车连杆头铸件进行数值模拟，并将模拟结果 与试制结果作比较，在充分肯定p r o c a s t 软件分析准确性的基础上，从浇注系统 和补缩系统入手，对铸件进行工艺参数的优化设计。 对于k u - - 1 0 0 4 密封壳体铸件，企业提出了两种不同的浇注工艺方案。将顶 注工艺和底注工艺的充型过程和凝固过程进行模拟，并将模拟结果进行对比分 析，从中选出最优的工艺，为实际生产提供科学的依据和指导。 本文首次对s o l i de d g e 与p r o c a s t 间的数据交换进行研究，提出体包含的 概念，采用总一分一总的技术路线，有效的解决了前处理中复杂模型的数据交换 难题。优化后的浇冒口一体化的顶注工艺避免了原工艺中产生的缺陷，得到了高 质量的铸件，该工艺在工厂中已得到了实际应用。工艺优选的依据为工厂中生产 类似铸件时确定工艺参数提供了科学的指导。实践证明，采用数值模拟软件，能 够快速、有效的解决工艺问题，为企业带来巨大的经济效益，具有重要的实用价 值和现实意义。 关键词：充型凝固数值模拟s o l i de d g e 软件p r o c a s t 软件拖车连杆头 k u 一1 0 0 4 铸件缩孔缩松判据 浙江大学硕士毕业论文 a tp r e s e n t 。t h em o s tc o m p e t i t i v er e s e a r c hm e t h o do f f o u n d r yt e c h n o l o g yi s n u m e r i c a ls i m u l a t i o no nm o l df 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 t h i sp r o c e s si s h e l p f u lt op r e d i c td e f e c t s ，o p t i m i z et e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s ，i n s u r et h ec a s t i n g q u a l i t y , s h o r t e nt h et r i a l p r o d u c ec y c l ea n dl o w e rt h ec o s t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc a d c a es o f t w a r e ，m o r ea n dm o r ec o m p a n i e s a p p l yt h e mt op r o d u c t i o np r o c e s s c o - o p e r a t i n gw i t hn i n g b od o n g d i a ne l e c t r i c p o w e re q u i p m e n tc o ，l t d ，t h i sp a p e r , b a s e do ns o l i de d g ea n dp r o c a s t , d o e st h er e s e a r c hw o r ka sf o f l o w s ： t h e r ei sad a t at r a n s f o r mp r o b l e mb e t w e e ns o l i de d g ea n dp r o c a s t s o f t w a r e w h i c hi sa no b s t a c l et ot h en u m e r i c a is i m u l a t i o n 0 n eo ft h er e s e a r c h i st of i n dav a l i dm o d et os o l v et h i sp r o b l e m a c c o r d i n gt ot h er e a ln e e d so ft h ec o m p a n y , t h ep r o c e s so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o no nt r a i l e rb i ge n di sc o n d u c t e d t h er e s u l t sp r o v et h ep a r a m e t e r s a r ec o r r e c tt h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h et r i a lp r o d u c t t h e nt h et e c h n o l o g yi s o p t i m i z e df r o mg a t i n ga n df e e d i n gs y s t e m t o pa n db o t t o mg a t i n gs y s t e mo fk u 一1 0 0 4c a s t i n g ，w h i c ha r ep r o v i d e db y t h ec o m p a n y , a r es i m u l a t e di nt h i sp a p e r t h e i rc o m p e t i t i v er e s u l t s ，w h i c hc a n b ea st h er e f e r e n c ea n dg i s t 。s h o ww h i c ho n ei sb e t t e ra n dw h e r en e e d st ob e o p t i m i z e d t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h em o d e l - c o n t a i n i n gc o n c e p tf o rt h ef i r s tt i m e a n dr e s o l v e st h ed a t at r a n s f o r mp r o b l e mo fc o m p l e xm o d e l sb e t w e e ns o l i d e d g ea n dp r o c a s tb yu s i n gat e c h n i c a lw a yo f v h o l e p a r t e d w h o l e ” o p t i m i z e dt e c h n o l o g ya v o i d sg e n e r a t i n gd e f e c t si nt h ec a s t i n gb o d ya n dh a s b e e na p p l i e di nt h ec o m p a n y t h eg i s to fs e l e c t i n gt e c h n o l o g yh e l p st o e s t a b l i s ht h ep a r a m e t e r so fs i m i l a rc a s t i n g s i ti sp r o v e dt h a tn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a ns o l v et e c h n o l o g i cp r o b l e ma n dc r e a t eh u g ee c o n o m yb e n e f n s ， w h i c hm e a n sal o tt ot h ec o m p a n y k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm o l df 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 s o l i de d g es o f t w a r ep r o c a s ts o f t w a r e t r a i l e rb i ge n dk u - 1 0 0 4c a s t i n g c n t e r i af u n c t i o n sf o rs h r i n k a g eh o l ea n ds h r i n k a g ep o r o s i t y 学号2 0 4 0 8 1 3 9 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得盘鎏盘茎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：卯喜坶 签字日期： 撕z 年5 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘鎏盘茔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 耐岛 导师签名；卅刁缎 签字日期：孙年月莎日 签字日期： d 6 年_ 月6 e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： -，溺塑 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 铸造凝固过程数值模拟的意义 所谓模拟就是将两个不同物理领域的现象，用同一数学形式来描述【1 】。模 拟方法就是把一个领域内要求解的问题过渡到另一个领域内去解决，即将本来求 解铸件温度随时间、空间连续分布的问题转化为在时间域和空间域内有限离散点 上的温度值问题，用这些离散点上的温度值逼近连续的温度分布【2 】。 铸造凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸造工艺优化设计问题。二者之间 的对应关系为：铸件凝固补缩过程中数值模拟与冒口、冷铁、补贴的优化设计； 铸件充型过程中数值模拟与浇注系统的优化设计；铸件结晶过程数值模拟与组织 性能优化设计：铸件热应力、应变数值模拟与热裂防止【1 】 3 】。 铸造凝固过程数值模拟的实质就是将复杂的凝固过程用计算机通过数值计 算进行分析、研究，将温度场、流场、应力场以及质量场等物理场做逼真的三维 图像显示，结合相关的判据和凝固理论，来预测铸件质量。 铸造凝固过程数值模拟的意义就是利用计算机辅助设计和模拟分析一体化 技术，直观的观测金属液从进入型腔到完全冷却的过程，预测凝固缺陷、微观组 织、残余应力，对出现的缺陷的位置、大小及发生的时间进行全面的评估，从而 提出工艺改进的措施，优化铸造工艺参数，确保实铸时铸件的质量，缩短试制周 期，降低生产成本具体来说，凝固过程数值模拟可以实现以下的目的 4 】： 乱预知凝固时间以便预测生产率； b 预知开箱时间； c 预测缩孔和缩松； d 预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情 况，方便金属型设计； e 控制凝固条件； 为预测铸造应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计 算的基础数据。 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 1 2 凝固过程数值模拟国内外研究状况 1 2 1 国内外凝固模拟技术的研究历史 凝固模拟技术的研究，国外切入得比较早【2 ，5 ，6 】。c h v o r i n o v 早在4 0 年代初 就提出了凝固时间平方根定律，至今仍有一定的指导意义；5 0 年代t a y l o r 、a d a m s 等对平方根定律作了补充，确定了冒口设计计算的基本方法；6 0 年代r o b e r t 、 w l o d a w e r 进一步扩展，以顺序凝固为原则，建立了模数的概念。其后，凝固补 缩系统又向生产实用化和学科研究深入化两个方面发展。 以导热偏微分方程为基础的铸件凝固数值模拟始于6 0 年代。1 9 6 2 年，丹麦 的f o r s u n d 首次使用有限差分法对铸件凝固的传热过程进行了数值计算。3 年后， 美国通用电气公司的h e n z e l 和k e v e r i a n 应用瞬态传热通用程序对9 t 的气轮机内 缸进行了数值模拟这些初步的尝试表现出了良好的效果。1 9 6 8 年，密执安大 学以p e h l k e 教授为首相继以显式有限差分、交替隐式和s a u l y e v 有限差分格式进 行比较研究。 7 0 年代以来，继美国之后，日本、加拿大、原苏联等国家也相继开展了研 究，发表了大量颇有影响力的文章，如大阪大学大中逸雄针对有限差分法的弱点 提出了直接差分法；日本东北大学的新山英辅等人提出了拟三维计算方法和缩 孔、缩松预测判据等。这些科研成果为各国的科研工作打下了良好的基础。 进入8 0 年代，凝固数值模拟研究形成了世界性热潮。p e h l k e 教授和b e r r y 教授在国际第5 0 届铸造会议( 1 9 8 3 年) 凝固数值模拟专题讨论会上，提出铸造 工艺c a d 概念，把它归结为计算模拟、几何模拟和数据库的有机结合：丹麦技 术大学的h a n s e n 教授提出前后处理和中间计算的概念；阿亨工业大学以s a h m 教授为首，提出了研究“使用性能一组织结构一工艺方法”的可行性报告【2 】。 9 0 年代，三维数值模拟软件开发日趋完善，很多的商用软件已经在实际生 产中得到了应用，效果良好。目前凝固数值模拟正在由传热模型向传热传质和流 动综合的模型过渡。应用微观模型对铸件的微观组织结构进行模拟和预测越来越 受到重视，成为了铸造凝固数值模拟技术的研究新方向。 国内的研究相对较晚，1 9 7 9 年全国铸造学会在大连举行了我国第一次凝固 理论研讨会。其后，众多的研究机构和大专院校陆续开展研究工作。沈阳铸造研 究所较早的将凝固数值模拟应用于大型铸钢件凝固控制【刀；哈尔滨工业大学最 先对合金凝固过程中的溶质再分布规律进行了数值模拟研究 8 】；西北工业大学 对铸锭凝固的宏观偏析、沟槽偏析及数值方法等进行了数值模拟研究【9 】；西安 交通大学用直接差分法编制了二维和三维的铸件凝固温度场模拟软件，并在大型 2 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 铸钢锭及离心铸造等方面进行了应用研究；清华大学在铸4 4 = 铸型界面换热系数 测定与研究、铸件三维实体造型、铸件凝固缩孔缩松预测等方面进入了深入的研 究【1 0 】；沈阳工业大学、甘肃工业大学等也在铸件凝固模拟、冒口优化设计等方 面开展了各具特色的研究。 通过十几年的发展，我国的铸件凝固模拟技术的研究，已从个别单位单项研 究，发展成为具有一定规模的多专业、跨学科、多层次的联合研究，形成了优势 相对集中的科研群体，逐步缩小与国外的差距，并结合三峡、核电等重点工程及 汽车、航空航天等关键零件的工艺优化，形成了自己的特色，做出了突出的贡献。 但是在软件的开发和应用方面，做得还不够多，不够深。相信我国的铸造凝固数 值模拟技术会有更大的发展，也会涌现出大批高质量的国产铸造模拟分析软件。 1 2 2 凝固模拟技术的研究对象尺度 宏观模拟宏观模拟的尺寸范围是从毫米到米，是以模拟铸件凝固过程中温 度变化规律为基础内容的数值模拟。经过3 0 多年的发展，宏观模拟中形成了两 大比较成熟的方向：缩孔缩松模拟和传输现象及宏观偏析。实际上，目前已有很 多先进的铸造企业已将凝固过程的宏观模拟作为提高铸件质量、缩短生产周期、 降低生产成本的有效手段【l ，1 1 】。 缩孔缩松预测研究 对铸件缩孔缩松的预测，一直是铸造工作者致力解决的难题之一。随着计 算机在铸造领域中的应用开发，国内外很多学者从不同的角度提出了很多预测方 法，取得了突破性进展【2 】。 传输现象宏观偏析计算机模拟研究 宏观偏析是铸锭和大型铸件中常见的缺陷。自6 0 年代初，就有人尝试计算 铸件凝固传热和铸锭宏观偏析【1 2 】，而真正对宏观偏析进行理论计算则是由加拿 大学者k i r l 【a l d y 和y o u d e l i s 于1 9 5 8 年在发表的简化枝晶模型( k - y 模型) 中提 出的【1 3 】。随后的二十年中，大量有关宏观偏析的分析和预测都是以。局方程” 模型展开的，但“局方程”有一定的局限性，它孤立地求解铸锭凝固温度场和流 场，不能真实表述决定合金行为和宏观偏析的基本传输过程。后来，提出了“多 区域法”和“单区域法”来定量描述凝固传输问题。k u b o t a 、s z e k e l y 及r i d d e r 等人曾采用“多区域法”对凝固过程中的对流、传热等进行了计算分析【1 4 】。1 9 8 7 年，b e n n o n 和i n c r o p e r a 应用连续介质概念建立了定量描述合金固液传质和动力 传输的数学模型，并对n h 4 f c i h 2 0 模拟合金和s n - p b 合金的凝固传输现象和宏 观偏析进行了成功的计算机模拟。v o l l e r 等人也在8 0 年代后期，首次将双相传 3 浙江大学硬士毕业论文第一章绪论 输方程引入凝固模型，建立了合金固液转变体系传输现象的连续介质模型 1 5 1 。 哈尔滨工业大学的徐达鸣等人在1 9 8 1 1 9 9 1 年间提出了完整求解二元合金非平 衡凝固温度、固相分数和成分的非线性交互作用的数值迭代方法，并对 灿4 5 c u 合金铸锭的凝固及宏观偏析进行了准确的模拟 1 6 1 。 近年来，有关合金凝固传输现象及宏观偏析方面，人们开展了各具特色的研 究工作。如r a p p a z 和v o l l e r 探讨了合金凝固，熔化过程中微观溶质再分布在平衡 杠杆定律和s c h e i l 条件两种极限情况下宏观溶质传输方程的不同形式；g a n e s a n 和p o i r i e r 则用体元平均原理，导出了凝固枝晶间液相流动宏观质量和动量传输 的混合介质方程；w a n g 和b e e k e r m a n n 提出了多相溶质扩散模型，试图描述合金 枝晶凝固中不同的微观组织特征尺寸。t s a i 等人通过在动量方程中增加源项的方 法，模拟计算了有凝固收缩效应时灿- 4 5 c u 合金定向凝固的宏观成分偏析。 微观模拟所谓的微观模拟是指在晶粒尺度范围从毫米到微米问，模拟铸件 的凝固过程。由于目前宏观的模拟尚在发展中，所以微观的模拟愈来愈引起人们 的重视，正逐步成为铸造学科中人们研究的热点之一。 最早在1 9 6 6 年，o l d f i e l d 就提出了在宏观模拟的基础上，将传热方程中的热 源项表示成形核率与生长速率的函数，从而得到能反应铸件凝固组织的模拟结果 的基本思想。而研究工作都是针对简单的小试样进行的，目的是得到合金的模拟 冷却曲线，通过比较模拟冷却曲线与实测冷却曲线验证所采用的形核、生长模型 及模型计算方法是否合理可靠 1 7 】。 进入9 0 年代后，铸件凝固过程的微观模拟开始由试验研究向实际应用发展。 g o e t t s c h 和d a n t z i n g 模拟了亚共晶灰口铁的凝固过程，还进一步模拟了试样凝固 之后的共析转变过程，预测了所模拟的铸铁的强度、硬度等性能。z o u 和r a p p a z 研究了单向凝固灰铸铁圆棒凝固组织形成过程的数值模拟 1 8 】。国外对铸件凝固 过程的微观模拟研究工作仍处于实验研究阶段，我国则在起步阶段。随着生产技 术的提供和关注程度的增加，铸件凝固过程的微观模拟必将在铸造生产中发挥重 要作用。 渺观模拟渺观模拟是指从原子尺度研究铸件的成型过程。但由于当前认识 的局限性及硬件发展的制约，虽然国外已经有文献提出渺观模拟的概念，但至今 还没有人对此进行深入的研究 1 9 1 。 1 2 3 铸造模拟技术的发展趋势 1 ) 模拟的尺度由宏观走向微观 1 9 , 2 0 目前，铸造过程数值模拟正在由宏观走向微观，模拟尺度包括微米和毫米级， 4 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 涉及结晶过程晶核长大、柱状晶与等轴晶的转变和金属基体组织的控制等方面。 2 ) 考虑多物理场和多尺度模拟的整体优化设计 2 1 。3 3 模拟功能由单一的温度场、流场、应力应变场，组织场模拟进入到耦合集 成阶段。如温度场一应力应变场、温度场一组织场、应力应变场一组织场等直 接的耦合，以便使过程模拟更加逼真。 3 ) 并行化、敏捷化、数字化、网络化 模拟技术与并行工程、敏捷化工程、虚拟制造相结合，成为网络化并行设计 与制造的重要内容 2 2 ，3 3 1 。 1 2 4 国内外主流模拟软件介绍 1 2 毛1 铸造模拟软件的发展 铸件充型凝固过程，基础理论深，技术含量高，而且通用性较强，可以应用 在不同合金、不同形状、不同工艺的铸件上【4 】，因而导致了许多c a e 软件通用 化和商品化。利用c a e 软件，模拟分析几何形状复杂的铸件的温度场、流场及 应力场，辅助工程技术人员实现铸造生产中“设计一校核一再设计一再优化”的 过程。 目前国内外铸造过程数值模拟分析软件大致划分为三个阶段【2 3 】： 第一阶段：运用简单模数计算方法模拟热流动。该方法只对简单铸件和具 有连续凝固方式的非合金铸件是适用的，而且不能够显示任意时刻铸件和铸型的 温度变化。 第二阶段：以正确的温度场计算为基础。经过网格划分，边界条件、相变 潜热、界面换热系数、热物性参数设定，能够分析模拟出铸件铸型温度随时间 的变化。但是由于没考虑金属液凝固过程中液体的流动和密度变化以及不同合金 的凝固特征，无法准确预测缩孔缩松的位置和大小。 第三阶段：以传热传质流动综合模型为基础，综合考虑凝固动力学因素， 模拟凝固界面现象，凝固组织特征以及缩孔缩松的预测等。运用正确的温度场计 算并与凝固期间的补缩金属流动相结合，同时对凝固过程合金中的重量影响和密 度对合金结晶变化加以分析。能够显示温度变化、液固变化及缩孔缩松，模拟结 果可以在选定的任一截面以二维或三维实体的方式直观显示。 目前，国内外主流的商品化模拟仿真软件主要有 2 5 - 2 7 ： 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 1 a f s 该系统是由美国铸造协会所发展。其主要仿真与计算对象针对铸件 热传及溶汤凝固方面，目前系统可仿真三维空间的铸件凝固过程。适用于砂型、 金属型和精密铸造。 2 e k k 该软件有三个主要的模块，分别负责网格的产生、热传仿真与流体 充填仿真的工作。e k k 是以f e m 为基础从事计算机的仿真，除了一般充填、凝 固仿真外，对于料管内金属流动也有做简单的仿真。适用于所有的铸造方式。 3 m a g m a s o i t 2 8 】由德国a a c h e nt 业大学及丹麦c o p e n h a g e n 工业大学与 m a g m a 公司共同发展的三维铸造用仿真软件，用于解析铸造制程中流动充填、 冷却及凝固过程。此软件开发以f d m 为主，另有f e m 用于模具应力应变解析 方面。适用于砂型、金属型、压力和精密铸造。 4 p r o c a s t 2 9 该软件由美国l i e s 发展而成，是以f e m 为基础解析热传、 流力与应力方面的问题，装置在p c 及工作站计算机上。此系统自带的c a d 系 统功能不强大，建模方式复杂难以掌握，通常需要从一般商用的c a d 系统输入 相关的资料。适用于砂型、金属型、消失模，压力和精密铸造等。 5 c a s t c a e 由芬兰c t - c a s t e ：c hi n c 所开发的铸造凝固模拟软件。以f d m 为基础进行解析适用于砂型、金属型、压力、半固态和精密铸造。 6 华铸c a e 3 0 由华中科技大学经十七年研究开发，并在长期的生产实践 中不断改进完善起来的集成软件系统。能够分析流动充型、冷却凝固和充型换热 耦合等过程，适用于砂型、金属型、壳型、低压、压力等铸造方式。 其他的一些凝固过程数值模拟软件还有：法国的s i m o l o r ，瑞士的 c a i o m s a ，日本的s o l d i a 和清华大学的“铸造之星”f o u n d r ys t a r 。 如前所述，目前商用的铸造模拟软件多种多样，且各有侧重。针对国内的使 用情况，选择了德国的m a g m a s o f t 、美国的p r o c a s t 和国内华铸c a e 三款 软件从模拟的前处理、计算方式及后处理等方面进行比较，如表1 1 所示。 6 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 表1 1 三款软件的比较表 2 8 - 3 0 m a g m as o t t p l 叫m s t华铸c a e 具备比较完善的c a d 系统。软件本身的建模能力较差，建 需要借助c a d 软件建 几何模型处理也可利用c a d 建模，通过接 模方式难以掌握，需要借助 模，并通过一定的接口 口交换c a d 软件建模，但其修模功进行衔接 能强大 有限差分法f d m 为主，用有有限元法f e m ，计算时问长，有限差分法f d m ，分 分析方式与耗时 限元法分析模具的应力应变，支持多处理器 析时间短 计算时间短 充型冷却凝周过程流场温度充型冷却凝固过程流场温度充型冷却凝固过程、充 软件功能场应力场模拟分析场应力场电磁场模拟分析型换热耦合过程模拟 分析 砂模铸造、金属模铸造、重力砂型，消失模铸造；高压、低砂型铸造、金属型铸 分析范围铸造、高压铸造等。是最佳的压，重力铸造l 倾斜浇铸、熔造、壳型铸造，熔模铸 压铸铸造软件模、壳垄、挤压铸造# 触变铸造、压力铸造等铸造方 造、触变成型、流变铸造等铸 式 造方式 钢，铁，铝、铜、镁等几乎所钢、铁及铝基、钴基、铜基、 钢、铁、铝、铜等铸造 有的铸造台金，用户可根据需 镁基、镍基、钛基、锌基合金 合金 材料数据库 要添加合金材料及其冶金性和非传统合金及聚合体。能根 质据用户自定义的材料成分，提 供相应的物理及机械性质。 资料处理 曲线、图像、图形、动画曲线，图像，图形、 曲线、图形、图像、 动画、数据动画 由表1 1 可以看出，p r o c a s t 适用于各种铸造方式，尤其是它的辐射分析模 块大大加强了热辐射的计算能力，这对于经常需要精确处理热辐射问题的熔模铸 造特别重要。并且p r o c a s t 分析合金种类齐全，并能根据用户自定义的合金成 分，生成相应的材料物理机械属性。采用有限元法，虽然计算时间较长，但是对 于分析的精度有保证。对于结果的处理，采用曲线、图形、图像、动画等方式呈 现出来，并可以数据方式写出。具体来说，p r o c a s t 具有以下特点： 1 p r o c a s t 采用基于有限元法f e m 的数值计算方法与有限差分f d m 相 比有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理 现象。有限元的优点可以归结如下： 1 ) 好的几何描述能力。f e m 可以精确描述曲面，而f d m 只能以阶梯形简 化描述曲面。 2 ) 建模过程中可实现局部网格细化。有限元网格无需像有限差分法那样把 细化影响到整个模型，这样使f e m 的单元和节点数明显少于f d m 。 7 浙江大学硕士毕业论文第一章绪论 3 ) 以弹性、弹塑性、弹粘塑性模型进行应力和热的耦合分析时，只能采用 有限元法。有限差分法由于网格不能变形因而不能进行应力分析 在处理和充型方向相平行的曲面时，由于有限元法能够精确描述曲面边 界，因而能准确模拟铸件充型的流场，而有限差分法在描述铸件曲面边界时，由 于断面成锯齿状而造成较大的偏差。 5 ) 在精确处理辐射传热问题时，视角系数和阴影效果的计算，要求准确地 描述外表面及相应方位。因此，f d m 无法处理复杂的辐射问题。 2 p r o c a s t 作为针对铸造过程进行流动传热应力耦合求解的软件包，能 够模拟铸造过程中绝大多数问题和许多物理现象。 1 ) 在铸造过程分析方面，p m c a s t 提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋 转等对铸件充型的影响；能够模拟出气化模铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸 造等几乎所有铸造工艺的充型过程并能对注塑、压制腊模、压制粉末等的充型过 程进行模拟。 2 ) 在传热分析方面，p r o c a s t 能够对热传导、对流和辐射等三种传热方式 进行求解，尤其是引入最新“灰体净辐射法”模型，使p r o c a s t 擅长于解决精 铸及单晶铸造问题。 3 ) 在应力分析方面，通过采用弹塑性和粘塑性，及独有的处理铸件铸型 热和机械接触界面的方法，使其具有分析铸件应力、变形的能力 4 ) 在电磁分析方面，p r o c a s t 可以分析铸造过程所涉及的感应加热和电磁 搅拌等。 以上的分析可以获得铸造过程的各种现象铸造缺陷形成及分布铸件最终质 量的模拟和预测。 3 p r o c a s t 以模拟铸造过程的基本功能划分模块，而不以铸造方法进行模 块划分。各模块根据可靠数据不仅能模拟铸造过程还能够模拟出热处理和焊接等 方面的问题。这极大地方便了用户使用户可以灵活地应用软件解决多种工艺问 题。 4 p r o c a s t 的前后处理完全基于o s f m o t i f 的p r o c a s t 的用户界面。通 过提供交互菜单数据库和多种对话框完成用户信息的输入。p r o c a s t 具有全面 的在线帮助，具有良好的用户界面。p r o c a s t 通过提供和通用机械c a d 系统 的接口，直接获取铸件实体模型的i g e s 文件或通用c a e 系统的有限元网格文 件。p r o c a s t 还可以将模拟结果直接输出到c a d 系统接口，尤其可以通过 8 浙江大学硕士毕业论文 第一章绪论 i - d e a s 直接读取p r o c a s t 结果文件。这使得p r o c a s t 极易与具有设计加工的 c a d c a m c a e 系统相集成，实现数共享大幅度提高铸造生产率。 5 p r o c a s t 可运行于w m d o w sn t , w m d o w s2 0 0 0 ，w i n d o w sx p , l i n u x 和 u n i x 平台，对硬件没有特殊要求。同时p r o c a s t 也可运行于矢量计算机上和 进行并行处理。p r o c a s t 采用t k t c l 跨平台语言，所有平台的升级均同时进 行，无须任何第三方软件支持。 1 3 选题背景及意义 铸造业在我国有着六千多年的历史，我国是世界铸造生产大国，而不是强国。 产品质量不易保证，废品率较高，严重制约着我国铸造业的发展。当今科学技术 迅猛发展和市场竞争日趋激烈，行业外部新技术革命的发展产生了许多新材料、 新工艺，行业内部对产品质量的要求越来越高，原材料和能源成本不断上升。面 对巨大的挑战，铸造企业越来越需要不断地开发新产品和缩短研制新产品的时 间，以便有效地对应市场的竞争。 应用数值模拟技术、可视化技术，利用传热，流体力学及金属凝固理论，进 行电脑试浇、质量预测和工艺优化，能够大大降低生产费用，并使铸件的设计和 生产周期也大大缩短，提高整体效益。因此，该技术有着重大的现实意义 另一方面，在计算机凝固模拟技术上，温度场流场模拟技术正逐步走向成熟， 很多分析精度高，运算速度快的商业化软件的诞生为铸造过程模拟分析提供了基 础 拖车连杆头铸件和k u - - 1 0 0 4 密封壳体铸件是宁波东电电力设备有限公司 的新产品。拖车连杆头铸件为提高其工艺出品率，降低后期加工量，采用了一箱 两件的工艺。通过对此铸件的原始工艺进行充型凝固过程数值模拟分析，查看并 分析缺陷产生的原因，为进一步的工艺优化提供科学依据，而不是凭借经验判断， 不断的进行实浇寻求更优的解。这样不仅提高了效率，而且为企业节省了成本， 避免了实浇造成的损失。 该厂的技术人员对k u 1 0 0 4 铸件制定了两种不同的浇注工艺，通过应用软 件模拟浇注的过程，查看并分析出有可能造成铸件缺陷的原因，反馈给工程师， 为浇注工艺方案的选优提供依据，为工艺优化提供参考。 利用电脑试浇代替企业的实浇，既能确立合理的工艺方案，又可降低人力物 力的损耗，为企业带来显著的经济效益。 9 浙江大学硬士毕业论文 第一章绪论 1 4 本论文的研究内容 根据企业的要求，需要对当前企业生产的两个铸件的充型凝固过程进行数值 模拟，以便分析预测收缩缺陷出现的可能性，并进一步的优化工艺，确保铸件的 质量。因此，需要在p r o c a s t 中进行模拟分析，围绕着p r 0 c a s t 展开的研究内 容如下： 1 由于p r o c a s t 软件没有c a d 系统，本文使用s o l i de d g e 软件进行三维 建模，但是两个软件间存在着数据交换的难题。为确保模型信息能顺利转换，为 后续处理的实现提供基础保证，首先要解决接口问题。 2 在综合理解c a e 充型凝固模拟软件算法的基础上，充分理解p r o c a s t 软件的机理，达到消化吸收。结合工厂的实际情况，建立模拟所需要的各项工艺 参数，并将模拟结果同实际情况对比，加以确定。 3 应用软件对连杆头铸件的原始工艺进行模拟计算，分析收缩缺陷产生的 原因，并针对这些缺陷，采取相应的对策，进行工艺优化，直至达到铸件的质量 要求，缩短试制周期，提高企业的效益。 4 通过对壳体铸件两种浇注工艺的充型过程模拟，预测在充型凝固过程中 可能产生缺陷的不利因素，将分析结果反馈给工厂，为工艺方案的选优提供科学 的依据，为工艺的优化提供科学的指导。同时对相似零件铸造工艺的确定也具有 重要的参考价值。 1 0 浙江大学硕士毕业论文第二章铸件凝固过程数值模拟理论 第二章铸件凝固过程数值模拟理论 2 1 铸件凝固过程的热传分析 2 1 1 传热的基本方式 在铸件的凝固过程中，高温液态金属液注入铸型后通过各种途径向铸型和周 围环境传递，温度不断下降，与此同时，周围的环境与介质，尤其是铸型不断吸 收热量而温度上升。此过程中，热量以多种方式进行传递：高温金属液凝固前后 向型砂、空隙和大气的辐射传热；浇注时金属液和铸型内部不同部位及铸型和大 气间的对流传热；凝固前后的金属内部、高温金属液向铸型及铸型材料内部的传 导传热等，整个过程包含了自然界所有的三种基本传热方式1 5 , 2 2 ，2 4 。 2 1 1 1 传导传热 传导传热属于接触传热，是连续介质就地传递热量而又并没有各部分物质之 间的宏观的相对位移。 当液体静止或形成了凝固层后，金属向铸型传热主要是以不稳定导热方式进 行，导热的比热流量q 与温度梯度成正比，即 g g r a d t 或g ：一2 9 r a d t ：一a 娶 ( 2 一1 ) u n g 是在传热方向上单位时间、单位面积上所通过的热量。负号表示导热的热流永 远向温度低的方向传递。2 是所研究的特定材料的 一 导热系数，单位是( w m k ) 。 图2 1 表不一个叨谇甲的等温回z 芹r + d t 这些等温面的法线方向为疗，它也是微分面姒的 法线，坦为通过湖面的热流。任意方向s 上的法 线方向疗上的比热流量为： d oo t q n = 面一五丽 d q。o t g s 2 j j ：；孑2 一五j 万 图2 1 热流的方向 浙江大学硕士毕业论文第二章铸件凝固过程数值模拟理论 因为 打= s c o s 故 口s 一2 0 锄t c o s ( 2 2 ) 即g j 是碍一的一个分量从上式中可以看出沿着等温面法线方向计算得到的比热 流量最大。如果比热流量的分量和( x ，y z ) 坐标系相关联，那么x , y , z 方向的 热流量应该为； q x - - - 丑罢q y = - 2 器g ；= 以罢 ( 2 3 ) 面石g z 2 以瓦 z 一3 式( 2 3 ) 表示的比热流量式比热流向量 q=iqz+jqy+kqz(2-4) 的三个分量。 导热系数五是沿导热方向的单位长度上，温度降低1 ，物质所容许通过的 热流量。大多数固体是各向同性的物质，所考虑的每一点处一切方向上的五值都 是一样的。另外，五值的大小还随温度而变化，大多数的金属导热系数随温度的 升高而降低；大多数的液体( 除水和甘油外) ，五值也随温度升高而降低；气体 的导热系数随温度的升高而增加；铸造合金的导热系数不能简单的从其组成物的 五值加权平均求出；砂型、熔模铸造壳型等的导热系数还与它们的孔隙率有关。 2 1 1 2 对流传热 对流传热是指流体中温度不同的各部分相互混合的宏观运动引起热量传递 的现象。流体温度分布不均匀时，也将本能的产生导热。因此，热对流总和流体 的导热同时发生，可看作是流体流动时的导热。 7 。 工程上在研究固体壁面和流体之间的对流换热时，把流体看成是连续介质， 运用力学和热力学定律，来得到工程上所需要的答案。实际的流体总有粘性，流 动时受粘性和壁面摩擦的影响，在靠近壁面附件的流体将降低流速，在壁面上完 全被滞止不动。热量从壁面传给贴壁的那部分流体，将依靠导热。随着离壁面距 离的增加，流体的流动将陆续带走更多一部分热量，温度梯度连续下降，温度分 布趋向平坦化。通过导热和对流的共同作用，热量在流体内部得到传播，越邻近 壁面，导热越起主导作用。设想厚度为j 的贴壁静止膜，膜内温度线性的从壁面 温度r w 降到远离壁面、尚未被加热的流体温度r 。，则 1 2 浙江大学硕士毕业论文 第二章铸件凝固过程数值模拟理论 一乱= 哗8 或者舻等卧蹦( 2 - - 5 ) 其中幻为流体的导热系数，孽耽为热流密度。 按照流体运动的原因不同，对流可分为自然对流和强迫对流。凡是由于固体 表面对流体局部加热或冷却，造成流体冷、热各部分密度不同所引起的升沉对流 运动为自然对流。凡是在外力作用下产生的流体流动为强迫对流。对流换热通常 采用下式计算： q w c = 口。仃，一蹦( w m 2 ) ( 2 6 ) 放热系数口。需要从相应的准则方程式求得。准则方程式针对不同对流换热情况， 在综合实验结果的基础上，运用相似理论将表征某现象的物理量整理成一些相似 准则，用因次分析法得到的各种类型的表达式。相似准则之间的一般函数关系式 为 n u = f ( v ，g ，r e ) 式中n u 一努塞尔特准则， o = ! 譬，上为特征尺寸，以为流体导热系数； ， n 一普朗特准则，只= 詈，口为热扩散率，为运动粘性系数，2 考 为流体的动力粘性系数； g r - - 格拉晓夫准则，g ，= g l 3 仃。一乃) 广，g 为重力加速度，局为流 体的容积膨胀系数，巧为流体特征温度； 成一雷诺准则，见：丝，”为流体流速。 ， 1 ) 无限空间中的自然对流换热的准则函数关系式为：n u = 八p r ，g r ) 2 ) 流体在管中受迫对流换热的准则函数关系式为：肌= ，( p r ，r 0 3 ) 液体金属中的换热，采用毕渥数，定义为 5 _ 飞 1 l 1 浙江大学硕士毕业论文第二章铸件凝固过程数值模拟理论 耻譬= 需黼 ( 2 7 ) 且与肌的数学形式相似，但肌中的五是液体的导热系数如，而& 中的名是 固体壁面的导热系数。 2 1 1 3 辐射传热 物体对外发射电磁波的过程叫做辐射。物体辐射或物体吸收辐射能时，都伴 随着辐射能和热能之间的转换，是一种非接触式传热。 只要温度高于绝对零度，任何物体都随时向周围的空间辐射能量。每单位时 间，物体单位表面发射的一切波长射线所携带的总能量称为该物体的辐射密度或 辐射力，用e 表示辐射力可以用绝对黑度在相同温度下的辐射力e o 作为比较 标准，引入f = 剧e o ，称为物体的辐射率或黑度。1 8 8 4 年，玻尔兹曼用热力学 方法证明黑体的辐射力为 e o = 仃o ，( 叫川2 ) ( 2 - - 8 ) 或黑度为g 的物体辐射力为 e = 占印矿( 7 埘2 ) ( 2 - - 9 ) 这就是斯蒂芬- 玻尔兹曼定律。其中c r o 叫做斯蒂芬- 玻尔兹曼常数或绝对黑度 的辐射常数。实际上，辐射往往涉及两个物体间辐射热交换。如果两个物体表面 温度不同，中间由空气隔开，t l t 2 时，相互辐射的结果使得表面温度为乃的 物体发射出去的辐射热超过了吸收来自表面温度为r 2 的物体辐射热，引起辐射 换热的热流量为： q 1 2 = 翻2 仃o ( 开一吻f l 妒1 2 ( 矿) 亦即 口1 - 2 ：譬：9 1 2 盯。( 硝一哟凡竹，2 ( )( 2 1 0 ) ，1 式中占1 2 一两物体黑度的函数，通常取作占1 2 = 6 1 s 2 ； 1 4 浙江大学硕士毕业论文 第二章铸件凝固过程数值模拟理论 n 一物体1 的表面积； 妒1 , 2 - - 物体1 的表面向外辐射出去的辐射热量中，能投射到2 表面上的份额， 称为角系数。 若参与辐射换热的，只是透明的气体介质所隔开的表面1 和2 ，不涉及到第 三者，那么，热流量q l - 2 显然是从表面1 传出的净辐射热流量g l ，同时也是传 给表面2 的净辐射热流量q ，2 ，如果记作： g = a , f ( t 。一乃) ( w ) 或 g 。= 口，( 凡- t )( 叫所2 ) ( 2 1 1 ) 口，具有放热系数口。同样的形式，可以称之为“辐射放热系数”，考虑到壁 面与气体之间还存在对流换热，热流密度为g 。= 口。( 凡一t ) 时，由壁面传走的 g g