（材料加工工程专业论文）铸造缺陷的三维重构及其对铸件服役性能的影响.pdf

摘要 摘要 l i l l l lillihi ii l l uii i y 2 14 12 61 铸造是一种包含了大量复杂物理化学过程的金属成型方法。在铸造过程中 伴随着各种铸造缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形等。在凝固过程中，缩孔缩 松缺陷对于铸件质量的影响是非常大的。由于铸件结构、金属熔炼、工艺设计 等方面的原因，铸件在凝固时都会出现或多或少的缩孔缩松缺陷。缩孔缩松缺 陷的存在不仅破坏材料的局部连续性，也大幅度地降低了材料的力学性能和机 械性能，使得材料过早断裂和失效。并且由于缩孔缩松缺陷的存在会使铸件质 量低劣，严重地影响了铸件的服役性能。 在铸造生产过程中，绝大多数的研究都集中在通过改进工艺方案或优化产 品结构来把缺陷率降到最低，而在结构分析领域中很少考虑铸件缺陷的存在， 导致铸件的服役性能与实际含有缺陷铸件的分析结果有较大的差别。然而正是 由于这些局部缺陷的存在使得铸件过早的失效与破坏。 为了完整和准确地分析含有缩孔缩松类缺陷铸件的受力情况和疲劳性能， 将铸造模拟、结构分析和疲劳分析三者有机地结合起来，充分考虑缺陷特征对 铸件机械性能及服役性能的影响。该研究方法的分析结果与实际铸件的分析结 果更为真实、更加吻合。 本文采用数值三维重构的方法获取了铸件试样中孔洞缺陷的特征，并将缺 陷信息映射到有限元网格模型上，在此基础上进行了含孔洞缺陷的非均质有限 元模型的受力及疲劳分析，获得了缺陷特征对铸件服役性能及疲劳性能的影响 规律。通过对无缺陷铸件试样和有缺陷铸件试样的力学性能分析发现，有缺陷 铸件的应力分布比无缺陷铸件的应力分布大，并且两者的应力集中部位也不相 同，随着孔洞缺陷的不断增加，其孔洞缺陷部位的应力集中越大；另外通过对 无缺陷铸件试样和有缺陷铸件试样的疲劳寿命性能分析发现，两者无论是在疲 劳寿命方面，还是在疲劳损伤方面其疲劳寿命和循环次数都有较大的不同，并 且随着孔洞缺陷的不断扩张，其疲劳失效与疲劳破坏急剧下降。 本论文的研究会使数值模拟的铸件分析与实际中铸件分析更加吻合，从而 能更好的提高和改进铸件质量，确保铸件在服役期内的稳定性与可靠性，对铸 造工艺设计及优化具有一定的理论指导意义和实际应用价值。 关键词：铸造缺陷；非均质；三维重构；服役性能；疲劳寿命 a b s t r a c t 一一 a b s t r a ct c a s t i n gi sc o n t a i n sal a r g en u m b e ro fc o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s s e s o fm e t a lf o r m i n gm e t h o d s i nt h ec a s t i n gp r o c e s sw i t hav a r i e t yo fc a s t i n gd e f e c t s s u c ha ss h r i n k a g e ，p o r o s i t y , c r a c k s ，d e f o r m a t i o n ，e t c d u r i n gs o l i d i f i c a t i o n ，s h r i n k a g e d e f e c t si sv e r yl a r g ed a m a g eo nt h ec a s t i n gq u a l i t y o w i n gt oc a s t i n gs t r u c t u r e ，m e t a l s m e l t i n g ，p r o c e s sd e s i g n ，t h ec a s t i n gd u r i n gs o l i d i f i c a t i o nw i l la p p e a rm o r eo rl e s s s h r i n k a g ed e f e c t s e x i s to fs h r i n k a g ed e f e c t sn o to n l yu n d e r m i n e t h el o c a lc o n t i n u i t y o ft h em a t e r i a l b u ta l s or e d u c es i g n i f i c a n t l yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s ， m d k i n gt h em a t e r i a lc a np r e m a t u r ef r a c t u r ea n df a i l u r e a n ds h r i n k a g ed e f e c t s w i l l d a m a g ec a s t i n gq u a l i t y , s e r i o u s l ya f f e c t i n gt h e s e r v i c ep e r f o r m a n c eo ft h ec a s t i n g s i nc a s t i n gp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h em a n ys t u d i e sh a v ef o c u s e do ni m p r o v e d t e c h n 0 1 0 9 yp r o g r a m so ro p t i m i z et h ep r o d u c ts t r u c t u r et om i n i m i z et h ed e f e c t r a t e b u tv v i t l l l i t t l ec o n s i d e rf o rt h ep r e s e n c eo fc a s t i n gd e f e c t si nt h ef i e l d o fs t r u c t u r a l a n a l v s i s ，r e s u l t i n gi nt h er e s u l to fp a r t so ft h es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n dt h ea c t u a l a n a l y s i sw i t hd e f e c t i v ec a s t i n g sa r ev e r yd i f f e r e n t h o w e v e r , i ti s b e c a u s eo ft h e e x i s t e n c eo ft h e s el o c a ld e f e c t sw i l lm a k e t h ec a s t i n gp r e m a t u r ef a i l u r ea n dd a m a g e i no r d e rt oc o m p l e t ea n da c c u r a t ea n a l y s i so ft h es t r e s sa n df a t i g u ep r o p e r t i e so f c a s t i n gc o n t a i n i n gp o r o s i t y , c a s t i n g s i m u l a t i o n ，s t r u c t u r a la n a l y s i s a n dl a t i g u e a n a l v s i sa r eo r g a n i c a l l yc o m b i n e d ，g i v ef u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h ei m p a c to fm e c h a n i c a l d r o p e r t i e sa n ds e r v i c ec h a r a c t e r i s t i c so f c a s t i n gc o n t a i n i n gp o r o s i t y t h e r e s u l t so ft h e a n a l v s i so ft h es t u d ym e t h o d sc o m p a r ew i t ht h er e s u l t so ft h ea n a l y s i so f t h ea c t u a l c a s t i n gw i l la p p e a rm o r er e a la n dm o r e c o n s i s t e n t i nt h i sp a p e r ，t h en u m e r i c a lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o dt og e tt h ep o r o s i t yd e f e c t c h a r a c t e r i s t i ci nc a s t i n gs p e c i m e n s ，a n dd e f e c ti n f o r m a t i o ni sm a p p e dt ot h ef i n i t e e l e m e n tm e s hm o d e l o nt h i sb a s i s ，n o n h o m o g e n e o u sf i n i t e e l e m e n tm o d e lo f c a s t i n gc o n t a i n i n gp o r o s i t yd e f e c t sw i l le x e c u t e s t r e s sa n a l y s i sa n df a t i g u ea n a l y s i s ， o b t a i n i n gm ee 虢c to fd e f e c tf e a t u r eo n s e r v i c ep e r f o r m a n c ea n df a t i g u el i f e a n a l y s i s 向瑚d 场a f 场cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd e f e c t f r e e c a s t i n gs p e c i m e na n d t h e s d e c i m e no fd e f e c t i v ec a s t i n g s ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ep o r o s i t yd e f e c t s i nt h e i i a b s t r a c t 一 一一 c a s t i n gt h a i lm ed e f e e t f r e e c a s t i n g ss t r e s s d i s t r i b u t i o n a n dt h e s e o ft h es t r e s s c o n c e n t r a t i o ni s n o tm es 锄e ，w i t ht h ei n c r e a s i n go fp o r o s i t y d e f e c t s , t h es t r e s s c o n c e n 仃a t i o nh a v ev a s tc h a n g ei nc a s t i n g c o n t a i n i n gp o r o s i t y d e f e c t s ；i na d d i t l o n ， a n a l v s i sf o u n dt h a tt h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fd e f e c t - f l e ec a s t i n gs p e c 吼e n a n dt h e s d e c i m e no fd e f e c t i v ec a s t i n g s ，w h e t h e ri ti s i nt h ef a t i g u el i f eo ri t i si nt h ef a t l g u e d 锄a g e ，i t sf a t i g u el i f ea n dc y c l et i m e sa r eq u i t ed i f f e r e n t a n dw i m t h ei n c r e a s i n go f p o r o s i 够d e f e c t s ，f a t i g u ef a i l u r ea n df a t i g u ed a m a g e w i l la p p e a ras h a r pd e c l m e i nt h i sp a p e r ，m em l i n e r i c a ls i m u l a t i o no f c a s t i n ga n a l y s i sa n dt h ea c t u a lc 敝i n g a n a l v s i sw i l lm a k em o r ec o n s i s t e n t ，s ot h a t i tc a nb e t t e rp r o m o t ea j l d1 m p r o v et t l e q u a l i t yo fc a s t i n g s ，e n s u r et h es t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ec a s t i n g sm t h es e r v l c e p e r i o d ，t h es t u d ym e t h o do nt h ec a s t i n gp r o c e s sd e s i g na n do p t i m i z a t l o n w i l lh a v ea 二e r t a i l 】t h e o r e t i c a ls i g i l i f l c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e k e y w 。r d ：c a s t i l l g d e f e e t s ；n o n - h o m o g e l i e 。u s m a t e r i a l ；m e e d i m e 础n a l r e c o n s t m c t i o n ；s e r v i c ep e r f o r m a n c e ；f a t i g u el i f e i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 铸造过程中的孑乙洞类缺附1 之】对铸件质量的危害很大。据报道，美国2 0 0 4 年 的统计表明，每年由于缩孔缩松缺陷对铸件使用性能的影响所造成的直接经济 损失高达4 0 0 0 亿美元；1 9 7 6 年日本由于缩孔缩松缺陷对铸件的腐蚀失效造成的 直接经济损失高达4 万亿日元，占当年国民经济生产总值的3 ；原西德每年因 缩孔缩松缺陷对铸件的腐蚀失效造成的直接经济损失约1 0 0 亿马克；我国机械 行业因铸造过程中产生的缩孔缩松缺陷造成的直接经济损失高达3 0 0 亿人民币， 全国估计约高达2 8 0 0 亿人民币。缩孔缩松缺陷造成材料的开裂与失效后，往往 造成整机的破坏甚至整个生产线的生产停顿，由此将造成更大的间接经济损失。 除此之外，机械产品因铸造过程中的缩孔缩松缺陷除造成经济损失外，往往引 起相关企业的停产或减产，其实际损失往往比估算的还要大。至于缩孔缩松缺 陷引起的人员伤亡事故，更是难以用经济数字来表示的。 铸造过程中产生的缩孔缩松缺陷是铸件在生产、加工以及使用过程中产生 裂纹和失效的主要原因之一，它降低铸件的使用性能并且破坏铸件的机械性能。 由于缩孔缩松缺陷在材料或铸件内部，在加工和使用过程中不易发现，如果铸 件中存在缩孔缩松缺陷，零件在加工和使用时就会由于缺陷产生变形或裂纹。 在国内外，由于铸造过程中产生的缩孔缩松缺陷导致的机械事故是经常发生的， 为此国内外许多专家和学者对铸造过程中产生的缩孔缩松缺陷进行了积极的探 索。在国外，美国的m c f l e m i n g s 教授【3 j 指出了缩孔、缩松缺陷对铸件的力学 性能影响。东京大学的梅田高照为了消除缩孔缩松缺陷对铸件机械性能和疲劳 失效影响，将工程中的边界元法引入凝固计算。美国的r a h a r d i n 等【4 】在研究 中特别指出了缩孔缩松缺陷对铸件破坏的影响研究，在铸造过程中，由于缩孔 缩松缺陷的存在，不仅影响铸件的力学性能，而且会产生严重的疲劳失效和断 裂。g r i f f i n 【5 】等人也指出了具有缩孔缩松缺陷的材料对铸件使用性能和机械性能 的影响研究，g r i f f i n 在文中指出缩孔缩松缺陷会带来结构受力不均匀，会产生 应力集中并由于缺陷的存在而产生裂纹和失效。g r i f f i n 通过实验分析了具有缩 孔缩松缺陷材料的应力与应变曲线( 仃一g og i b s o na n da s h b y 等人 6 , 7 , 8 1 研究了多 第1 章绪论 孔泡沫材料，他们也研究了缩孔缩松缺陷对材料的刚度和强度影响，并指出了 缩孔缩松缺陷对材料所具有破坏作用。r i c e 等人 9 , 1 0 1 在研究中也指出了材料缺陷 对机械产品所带有的影响和破坏，并针对铸件材料的缩孔缩松大小和形状进行 了研究。z h a n g 等人【l l j 研究了铜合金缩孔缩松缺陷对材料的弹性模量影响。 r i c h a r dk h u f f 等人也研究了铸钢件的缩孔缩松缺陷对：匀学性能的影响。在国 内，山东大学郝良品【1 2 l 同样指出了缩孔缩松缺陷对铸件力学性能和机械性能的 影响。该论文研究了缩孔缩松的预测与判据，阐述了缩孔缩松的形成机理、预 测缩孑l 缩松采用的判据、缩孔缩松的预测和缩孔缩松预测模型的建立等。针对 缩孔缩松缺陷对铸件的破坏性，河北工业大学的刘宏伟【l3 】重点研究了铸钢铸铁 件缩孔缩松缺陷预测的数值模拟。潘利文等人【1 4 j 在论文中重点阐述了t i a l 叶片 缩孔缩松预测及工艺优化。徐宏等人针对缩松缩孔缺陷问题【l5 j 也重点阐述铝铸 件缩孔缩松缺陷预测与数值模拟，并通过实验的方法得到了与实际一致的结果。 刘利刚等人【1 6 1 从利用n i y a m a 判据预测离心铸造轧辊缩孔缩松缺陷。严青松等人 1 7 1 对缩松缩孔缺陷从数值模拟的方面来进行缩孔缩松缺陷分析，并指出了缩孔 缩松缺陷对铸件破坏的影响规律。华中科技大学的陈立亮等【l8 j 也指出了缩孔缩 松缺陷对铸件破坏所造成的严重性，并对铸铁件的缩孔缩松缺陷进行了深入的 研究与探索。清华大学的崔吉顺等9 j 针对缩孔缩松缺陷对材料的破坏性，也对 铸件缩孔缩松判据进行了多种预测与研究。在机械制造工业中，就毛坯重量而 言，铸件占7 0 以上，作为最广泛用于机器基础件的铸件，孔洞类缺陷对铸件 的服役性能的影响必然日益受到重视。因此研究缩孔缩松缺陷对铸件使用性能 的影响是具有重要的经济效益和社会效益。 1 2 孔洞类缺陷对铸件疲劳性能的影响研究 在铸造过程中，大多数材料( 如复合材料和金属) 中都包含孔洞类缺陷，作为 铸造缺陷特征，准确理解它们的力学性能和疲劳性能是研究孔洞类缺陷铸件的 关键一环。由于铸造过程中缩孔缩松缺陷的存在，可能会产生很大的局部应力 集中和应力的再分配，它可能极大地影响抗疲劳性能【2 0 之3 】。随着局部缩孔缩松 缺陷的增大，它所产生的局部应力集中也会随着增大和扩展，从而产生局部塑 性变形和发展微裂纹，最终导致失效。 近年来许多国内外学者对铸造铝合金、铸造镁合金和铸钢件等金属材料的 2 第1 章绪论 疲劳性能进行了深入研究，研究发现孔洞类缺陷对铸件的疲劳性能影响很大， 从疲劳裂纹的萌生到疲劳裂纹的扩展都会受到孔洞缺陷特征( 如孔洞大小、孔洞 形状、孑l 洞位置和孔洞数量等) 的影响【2 4 】，最终导致铸件的疲劳失效。 s u m i t o m o t 等人【2 5 】通过对镁合金实验数据和理论模型的研究对比，得出了 数据在此范围内是线性显示。该研究说明了非均质材料的孔洞缺陷与材料弹性 模量的变化关系。g r i f f i n 研究了含有孔洞类缺陷的8 6 3 0 和1 0 2 5 铸钢件的实验。 该文论述了含有孔洞类缺陷的铸钢件对铸件刚度和强度的影响。g r i f f i n 还通过 实验分析了具有孔洞类缺陷材料的应力与应变曲线( 仃f ) 。r i c e 等人【2 6 , 2 7 】对材 料的孔洞大小、数量和形状进行了研究，并对孔洞的几何形貌进行了分析。 r o b e r t sa n dg a r b o c z i 等人【2 8 j 研究了材料的孔洞类缺陷对材料机械性能的影响。 r i c e 等人开发了多孔结构的最小实体( m s a ) 分数概念，这种研究方法可以用来预 测与应力有关的材料属性。h e r a k o v i c ha n db a x t e r 等【2 9 】人研究了四种理想的多孔 性缺陷形状对金属材料的使用性能和疲劳性能影响研究，它们分别是圆柱形、 立方体、球形和交叉多孔形。z h a n ga n dw a n g 等人研究了5 和4 5g m 的铜合金 孔洞类缺陷对材料的弹性模量影响。r i c h a r dk h u f f 等人也研究了8 6 3 0 铸钢件 的孔洞类缺陷对力学性能的影响。c b e c k e r m a n n 等【3 0 - 3 2 人也研究了金属材料中 含有孔洞类缺陷的研究，并分析孔洞的大小、数量、形状和分布等对金属材料 的影响。该研究通过x r a y 的三维重构的方法对金属材料进行了研究，分析了孔 洞类缺陷对铸钢件的应力分析与疲劳分析影响的试验研究。r a h a r d i n 等人在 文中阐述了含有孑l 洞类缺陷的铸件对疲劳性能和寿命的影响研究。该文利用数 值模拟详细研究了孔洞缺陷的大小、数量、形状与分布对铸件疲劳失效的影响， 并以8 6 3 0 铸钢件为例进行了分析，得出了没有缺陷材料的材料属性( 弹性模量) 与存在缩孔缩松缺陷的材料属性( 弹性模量) 与孔洞缺陷变化的函数关系，并 对其标准试样与含有孔洞类缺陷的铸件试样进行了疲劳| 生能和疲劳寿命的分析 对比。 对于孔洞类缺陷铸件的大量研究表明p 弘3 6 j ，疲劳裂纹主要萌生于孔洞周围。 g a oyx 等人【37 j 对铸造铝合金a 3 5 6 。t 6 二维孔洞周围应力集中情况进行了有限 元分析，研究发现孔洞缺陷尖端应力集中程度最大。n a d o t 等人【3 8 】对球墨铸铁铸 造缺陷的研究发现，利用缺陷二维尺寸对疲劳性能分析的结果比用三维疲劳分 析的结果更为保守，需要将二维特征尺寸转化为三维特征尺寸进行疲劳计算。 r i c h a r d 和c h r i s t o p h 等人【3 圳对铸钢a i s l 8 6 3 0 利用x 射线进行了断层扫描，并对 3 第1 章绪论 孔洞缺陷进行了三维的数值重构，最后将模型导入到有限元分析软件中进行力 学性能与疲劳性能的分析。该研究方法比较准确的反映孔洞缺陷部位的应力集 中情况与疲劳失效情况。同时，许多i 副 t - 学者【4 叫l j 还尝试通过统计学方法建交 孔洞尺寸分布与疲劳寿命的概率模型，利用威布尔分布函数以及蒙特卡洛方法 进行了模拟。该研究方法的不足之处是没有考虑孔洞缺陷与铸件试样的表面距 离关系，因此模拟分析具有一定的局限性。 1 3 课题来源与研究意义 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金资助项目“铸造缺陷多尺度三维表征及其 对铸件服役性能和疲劳寿命的影响研究 ( 5 11 6 5 0 3 0 ) 。 1 3 2 研究意义 铸造过程中由于孔洞类缺陷会使铸件质量低劣、服役性能减小以及导致铸件 的疲劳破坏。因此研究孔洞类缺陷对铸件使用性能所造成的影响是十分必要的。 在孔洞类缺陷铸件的实际应用中，由于传统铸造的解决方法是在铸造领域中力 求通过改进方案或优化工艺来把铸件的缺陷降到最低，i f 百在结构分析领域中经 常是根本没有或很少考虑铸件的缺陷的存在，导致分析的结果与实际具有缺陷 铸件的分析结果具有很大的区别。然而正是由于缺陷特征的存在使得铸件过早 的失效与破坏。因此将铸造分析、结构分析和疲劳分析三者结合起来，充分考 虑含有缺陷特征对铸件的机械性能和服役性能影响是具有重要意义。这种研究 会使数值模拟的铸件力学分析与实际中的铸件力学分析更加真实、更加吻合， 从而能更好的提高和改进铸件质量，确保铸件质量的稳定性与可靠性，对铸件 性能的提高与改进具有一定的理论指导意义和实际应用价值。 1 4 主要研究内容及研究路线 本论文采用实验与数值模拟相结合的方法，集中研究了孔洞类缺陷对铸件 服役性能的影响。主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 对孔洞类缺陷铸件试样进行了二维断层图像技术处理，图像技术处理涉 及图像去噪处理、图像增强处理、图像二值化处理和缺陷图像的轮廓提取等。 4 第1 章绪论 ( 2 ) 对铸件试样的孔洞缺陷部位进行了数值三维重构，三维重构技术对于孔 洞缺陷的研究更易于理解和掌握。 ( 3 ) 对孔洞类缺陷铸件试样进行了有限元网格模型转换与孔洞缺陷部位的 网格映射。 ( 4 ) 对孔洞类缺陷铸件试样进行了力学性能的分析与研究，并与无缺陷铸件 试样的力学性能进行了分析与比较。 ( 5 ) 对孔洞类缺陷铸件试样进行了疲劳性能的分析与研究，同时也与无缺陷 铸件试样的疲劳性能进行了分析与比较。 根据上述论文的主要研究内容，对本文章节进行了合理安排，其每一章节 的具体内容如下： 第一章节绪论部分主要研究了与本课题相关的研究背景及研究意义等内 容，同时对本文的研究内容与研究技术路线进行了全面规划。 第二章节铸件成型过程及力学性能分析理论基础部分主要研究了孔洞类缺 陷铸件的铸造数值过程中的数学模型、孔洞类缺陷铸件的非均质材料的有限元 模型以及孔洞类缺陷铸件的全寿命分析和疲劳累积损伤理论。 第三章节铸造缺陷实验研究及数值三维重构部分主要研究了在实验条件下 孔洞缺陷的获取，二维断层图像的获取及二维断层图像的图形技术处理，最后 通过二维切片图像进行孔洞缺陷特征的三维重构。 第四章节孔洞缺陷特征数值模拟研究部分主要研究了在铸造数值模拟的条 件下对铸件进行铸造数值模拟并获取孔洞类铸造缺陷信息，最后比较分析铸造 数值模拟结果与实验条件下孔洞缺陷的实验结果，为下一步的结构分析模拟做 好准备。 第五章节非均质模型的建立及受力分析部分主要研究了两大部分：一部分 是研究了含孔洞缺陷铸件试样的有限元网格模型转换与孔洞缺陷的有限元网格 映射：另一部分对含孔洞缺陷的铸件试样进行了结构受力分析。 第六章节含孔洞缺陷铸件的疲劳寿命分析部分主要在第五章节的基础上研 究了孔洞缺陷特征对铸件试样的疲劳寿命影响、孔洞缺陷模型对含孔洞缺陷铸 件试样的疲劳寿命影响以及网格粗细对含孔洞缺陷铸件试样的疲劳寿命影响。 第七章节总结与展望部分主要研究总结了本文的主要工作内容以及对下一 步研究工作的进展情况进行了展望。 为了顺利完成本论文的主要研究内容，特拟定了本文主要研究技术路线图， 5 第1 章绪论 如图1 1 所示。 1 5 本章小结 以实验浇注； 为基础，使! 数值模拟结! 果与实验结! 果相吻合1 ； 以实验浇注； 为基础，使! 数值模拟结 果与实验结 果相吻台一 1 铸造数值l l 模拟法ol 工 j i 。一 获取一组无，有孔 洞类缺陷铸件一 对无_ ，；| 旨孔涧类缺陷 铸件进行有限元网 格模型信息传递与 孔洞类缺陷信息的 网格映射 对无，有孔洞类 缺陷铸件进行 力学性能分析t 对无，有孔洞 类缺陷铸件行+ 疲劳性能分析+ 研究孔洞类缺陷对锋牛力学性能与；度劳 性能的影响觌律。建立与实际缺陷铸件 相吻合的一种研究方法 图1 1 研究技术路线图 f i g 1 1r e s e a r c ht e c h n i q u e s 1 针对本论文的研究课题，首先重点阐述了本课题的研究背景及本课题的 研究意义，对孑l 洞类缺陷铸件进行了深入阐述。 2 针对与本课题相关的研究内容进行了文献综述，主要包括孔洞类缺陷对 铸件影响的国内外研究现状与进展、三维重构技术在材料中的现状与进展。 3 针对本课题关于孔洞类缺陷对铸件力学性能与疲劳性能的研究，进行了 具体技术路线的设计与研究内容规划。 6 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 2 1 引言 本章阐述了铸件成型过程中的金属液流动及凝固模拟理论，并介绍了有限 元分析及疲劳分析的相关理论知识，本章为后面的研究提供了理论基础。 2 2 铸件成型过程数值模拟 2 2 1 铸件充型过程数学模型 铸件充型过程中液态金属的流动遵循流体动力学规律，可用质量守恒和动 量守恒的基本控制方程来描述 4 2 - 4 4 】。 1 连续性方程 该方程适用于理想流体，也适用于粘性流体。数学表达形式为： 望+ 煎+ 堕型+ 煎型：o( 2 1 1 8 t 瓠 却 a z 式中，u ，、u 。、分别为速度在x 、y 、z 方向上的分量；p 为液体的密度 为： 对于不可压缩流体，那么连续性方程则变为： 丝盟+ 坐型+ 丛趔：o o x 砂 a z ( 2 2 ) 2 动量守恒方程 对于液体，根据牛顿第二定律导出的粘性流体运动方程式，该方程表达式 誓帆篓+ u y 誓心誓：f x 一! 望+ 闪z “，( 2 - 3 ) a t。瓠a v8 z p o x 丝o t 川塑o x 川塑o y 帆誓= ，y 一三p 塑o y + 闪2 “， ( 2 - 4 ) y ：为z 3 、一 i o u z + b l x 誓+ “y 誓+ u z o u ：t 一三望+ 内z “：( 2 - 5 ) p 2 + “o + 2 =，一一二+ y v 。“ 8 t 融 跏 o z p o z 7 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 式中，u ，、“。、“：分别为速度在x 、y 、z 方向上的分量；p 一单位密度的压 力；p 一金属液的密度；一运动学粘度；g 一重力加速度； v 2 = 萨0 2 + 熹+ 等为拉普拉斯算子 以上公式( 2 1 ) 至( 2 5 ) 组成液体基本方程组，用于解决粘性不可压缩流体的 动力学问题。 3 能量守恒方程 能量守恒定律即热力学第一定律，在传输现象中的具体体现，它们依然采 用微元体分析的方法来导出能量方程。 7 如f + p - d dc 古 = 三pd i v ( z g r a 谢r ) 号( 2 _ 6 ) 式中，e 一流体的内能；p 一液体的密度；汐一通耗散函数；伊p 为内部表面应 力对流体做功而产生的热量。 当流体不可压缩时，在直角坐标系下，有： p 鲁+ 伊+ p 号+ p 峰= - og - 警) + 号( 五考 + 差l 笔 + j ， p 百+ 伊+ p 与+ p 气2+ 面l 以面j + 夏r i j 椰 u 叫 式中，c 一比热容；兄一导热系数；s 一内热源 2 2 2 铸件凝固过程数学模型 铸件凝固过程实际上是热量传递之间的不稳定热交换过程，主要包括热传 导、热对流、热辐射三种传热方式 4 5 - 4 9 】。 1 热传导 热传导是依靠物体不同温度的各部分或不同温度的物体直接相接触，由组 成物体的基本粒子的热运动所导致。三维热传导的微分方程表达式为： 允f 警+ 筹+ 警卜= 詈 c 2 渤 式中，o 一内热源j ；p 一物体的密度k g m 3 ；兄一导热系数w m k ； c 一比热j m s ；t 一温度( k ) ；t m 时间s ；x ，y ，z 一任意点的坐标 8 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 2 热对流 对流是指流动的流体内部以及流动的流体与物体表面之间发生的热量传递 过程。对流给热量都可按牛顿冷却定律来计算，即： q = 口( 瓦丁，)( 2 9 ) 式中，口一对流换热系数w k m 2 ：瓦一壁面温度) ；乃一液体温度( k ) 3 热辐射 物体温度高于绝对零度时向外所发出的辐射能叫做热辐射。热辐射同可见 光的电磁辐射的方式完全一样，它能够被辐射、反射和折射等。辐射换热遵循 史蒂芬一波尔兹曼定律定律： e = e c r t 4 ( 2 1 0 ) 式中，s 一辐射系数；仃一史蒂芬一波尔兹曼常数，值为5 6 7 1 0 一w m 2 。 2 2 3 铸件凝固过程缩孔缩松预测 孔洞类缺陷是铸造生产过程中的常见铸造缺陷，根据大量相关缩孔缩松缺 陷预测的参考文献 5 0 5 6 1 可知，当前最常用的缩孔缩松判据主要有：等固相线法、 温度梯度法、n i y a m a 法和直接模拟法等。 ( 1 ) 等固相线法 所谓等固相线法就是以固相线的温度作为在宏观上停止流动和补缩的界限 用来预测缩孔缩松缺陷的产生。 ( 2 ) 温度梯度法 所谓温度梯度法就是利用凝固末期温度梯度的大小来预测缩孔缩松的方 法。其数学表达式为： g = 一( 警) p 式中：z 为与该单元点相邻时刻的温度； 址为与该单元点相邻的距离。 ( 3 ) n i y a m a 法 日本的新山英辅教授创建的g 瓦，广泛应用于缩孔缩松的预测【5 7 - 5 9 。其 中g 是指温度梯度；r 是指冷却速度。g 的表达式为： 9 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 冷却速度为： g 悃2 倒幅 1 2 式中：砀盯一液相线温度 死附一固相线温度 k ，- 液相线温度时刻 ，一液相线温度时刻 r = f 2 1 2 ) f 2 - 1 3 ) 2 3 非均质材料的有限元分析 含孔洞类缺陷的铸件是非均质材料中的一部分，目前有限元分析 6 0 - 6 1 研究 的重点主要在于研究材料的非均质性( 包括弹性模量e 与泊松比v ) 对材料力学 性能的影响。 ( 1 ) 二维非均质材料的有限元分析6 2 设材料弹性模量标准参考值为e ，单元e 中的弹性模量表达式： e 8 = e o ( 1 + a 8 ) ，a 8 - 1( 2 - 1 4 ) 式中厶为均质材料的弹性模量，a 为非均质材料的存在而引起弹性模量的变动 量。单元e 中泊松表达式： a t 8 = , u o ( 1 + 8 ) ，8 - 1( 2 1 5 ) 由于弹性模量与孔洞缺陷是一个函数关系，孔洞缺陷对材料中的单元有不 同程度的影响，故可将孔洞缺陷所对应的单元进行映射，便可得到所需的非均 质材料。在均质材料情况下，平面应力和平面应变问题的弹性矩阵分别为： 。】2 毒 1 z 1 0 0 1 0 0 0 ( 1 一) 一 陀一1 6 ) 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 【d = 瓦e 而0 - 丽) 1 1 一 0 “ 1 一 1 o 考虑非均质特性，单元弹性矩阵可表示为： d e = 8 = ( 晶( 1 + 口8 ) ，风( 1 + f 1 8 ) ) 用泰勒展开得到： 【d = 蛾】+ a 域】+ 皿】+ 筇【b 】+ 2 【砬】 在平面问题中， 蛾】，【d 1 】，【d 2 】可表示为： d o = d o 【q 】- 儡 d 2 】= 畋 一 l i ：0 0 一 场 10 0 0 巧j - i u 0 一 h 10 00 v ； 一 i v 2 0 一 v 2 10 00 v ： 对于平面应力问题，上述公式中的元素为： 哦= 禹，瓦巩戍= 半 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) r 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) r 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) i 砧 o o 蝗耻 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 西= 器菇等弗一半 ( 2 - 2 4 ) 畋= 等铲，= 糌小丽( i - v o ) 3 13 4 ( 2 - 2 5 )2 ( 1 一嵋) 3 2 + 7 2 2 ( 1 + 3 v ；) 、。7 对于平面应面问题，上述公式中的元素为： 玩= 百g 而( 1 - v o ) ，五= 去，戍= 而1 - 2 丽1 ；o ( 2 2 6 ) 4 = i l 黼，e = 芝而l + 2 v 0 2 ，“= 一i ( 而1 - 2 v o ) 2 ( 2 2 7 ) 畋= 蕊暴专小哮 之= 2 ( 1 + 6 v 0 2 2 4 ) ，v i = 1 + 6 v o + 4 谅( 2 2 8 ) 由于e o 和, u o 对于均质材料而言是g - 量，因此口与的分布决定了单元弹性 矩阵分布。由上述表达式 d 1 可得到单元刚度矩阵： k 】8 = b 】1 【d 】。 b 】d 矿 ( 2 - 2 9 ) 其中 k 】8 一为单元刚度矩阵；【b 卜为单元几何矩阵，【d 】8 一为单元的弹性矩阵。整 体刚度矩阵数学表达式为： 【k 】= 【七 = 量 b d 】8 【b 】d f ，( 2 - 3 0 ) 从而得到方程组： 【k 】= f ( 2 3 1 ) 其中【k 卜为整体刚度矩阵； 占) - 为节点位移向量， f ) 为载荷向量。 ( 2 ) 三维非均质材料的有限元分析【6 2 】 对于三维非均质材料，其表达式为： d e = 厂p ，。) = ( 磊( 1 + d 。) ，l z o ( 1 + 。) ) ( 2 - 3 2 ) 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 其中 用泰勒公式展开得： d e = d o 】+ 口 d o 】+ ( 1 + 口) 【d 1 】 d o = 而& 丽o 而- u o ) fd 】2 志 6 露( 1 一4 ) 鸬 1 _ 1 0 且且000 1 1 01 a o 且旦 1 41 4 ( 1 2 ) 凰+ 3 “一2 露 n 一2 4 ) 风+ 3 风一2 d ( 1 2 风) 比 1 一o 1 o00 000 oo0 ooo0 风十3 一2 d ( 1 2 舶) 6 腐( 1 一地) ( 1 2 ) 鳓+ 3 鳓一2 “ ( 1 2 风) 风+ 3 “一2 d ( 1 2 a 。) 风+ 3 风一2 腐 ( 1 2 风) 6 d ( 1 一地) ( 1 2 4 ) 0o0 0 o 0 00o 00o 二丝00 ( 1 + 风) 0o00 一硒 ( 1 + - t o ) 0o000 0 一胁 ( 1 + 4 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 - 3 5 ) 由于e o 和胁对于均质材料而言是常量，因此口与的分布决定了单元弹性 矩阵分布。由上述表达式 d 8 可得到弹性模量的单元刚度矩阵： ( 2 - 3 6 ) 其中【k 】8 一为单元刚度矩阵；【b 卜为单元几何矩阵，【d e - 为单元的弹性矩阵。其 三维非均质材料的整体刚度矩阵为： 1 3 一心 0 2 一一 上狮 一心 0 2一一 0 一一卜 。 些耻。 一、j胁一 o 2 一一 0 一一 ，一致 矿d 1 - j b -_-_lr d r_-_l j 8 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 k 】= 苹【忌】e = 苹【b 】丁【。】。【b 】d y 从而得到方程组： k 】= f ) 其中【k 】- 为整体刚度矩阵； 万 为节点位移向量， f 一为载荷向量。 2 4 疲劳寿命分析理论 ( 2 - 3 7 ) ( 2 - 3 8 ) 2 4 1 全寿命分析 1 应力循环 名义应力法广泛应用于外加应力名义上在材料的弹性范围内，而且材料的 失效循环次数很高。 霞 链 + r 忑。代 谢 释一 ( a ) 对称循环 菊 门弋1 弋1 扣v 4 氧 悯 l 嚣_ ( b ) 波动循环 严 露坪峥 v ( c ) 随机循环 图2 - 1 典型疲劳应力循环 f i g 2 - 1t y p i c a lf a t i g u es t r e s sc y c l e 图2 1 所示是典型的三种疲劳应力循环的类型。由此可见，应力循环的性质 是由循环应力的平均应力o m 和交变的应力幅所决定的。式中。是循环中的 1 4 第2 章铸件成型过程及力学性能分析理论基础 最大应力；i 。是循环中的最小应力。 应力幅盯。的大小为： 0 a = 0 m a xm _ 一0 r a i n 由此可见， 毅= + 吒 旺曲。一吒 其应力范围是 a 0 = 2 吒= 0 m 。一0 m i n 应力循环的特征用循环特征来表示，即 尺：垒 强 表2 1 是一般载荷条件下的应力比。 表2 1 一般载荷条件下的应力比 t a b 2 1s t r e s sr a t i oo f g e n e r a ll o a d i n gc o n d i t i o n s ( 2 - 3 9 ) f 2 - 4 0 ) f 2 - 4 1 ) ( 2 4 2 ) 应力比载荷条件 尺 1 0 m 。、仃。i 。都为负值，平均应力盯。为负值 r = 1 静载 o 尺 1 0 m ；。j r = 0 脉动循环，盯l n i n = 0 r = - 1 对称循环，i o m 。i = i o m i 。l ，平均应力