（材料学专业论文）镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在工程上的应用.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 利用仿真模拟软件f l o w 一3 d 对镁合金压铸件4 8 0 s c 发动机罩盖的充型凝固过程进行 了模拟仿真。模拟仿真过程分为前处理、数值运算和后处理三个部分，而前处理是比较 重要的部分。首先乖用三维建模软件建立4 8 0 s c 发动机罩盖的几何模型并将其导入到模 拟软件中，根据压铸件的形状、壁厚等特点进行网格剖分，避免剖漏或者过量增加网格 数量加大计算机的运算量。随后设定边界条件确定合金液的入口位置及流动方向，设定 物性参数及工艺参数进行模拟，从而得到一系列的模拟结果。 选择不同的工艺参数范围：压射速度4 3 7 8m s 、模具温度1 8 0 2 2 0 0 c 、浇注温度 6 8 0 7 2 0 0 c ，利用正交实验分析了压射速度、模具温度、浇注温度对充型时间、缺陷生 成几率、凝固0 5s 时c p u 计算时间的影响，并且根据正交实验的结果确定优化的工艺 参数为压射速度6m s 、模具温度2 2 0 0 c 、浇注温度7 0 0 0 c 。 在相同的模具温度2 2 0 0 c 、浇注温度7 0 0 0 c 下，分别采用压射速度为4 3m s 、6m s 、 7 8m s 迸行充型过程、凝固过程的模拟仿真。在充型过程中，对比了不同的压射速度对 充型过程金属液流动情况的影响，确定了选择适当的压射速度能够得到较好的充型结果 及不同压射速度对缺陷生成几率的影响。在凝固过程中，对比了不同压射速度下后续的 凝固过程及缺陷生成率的影响，并且联系充型过程分析缺陷的形成原因是：压射速度过 慢导致合金液提前凝固对不利于补缩；由于压射速度过快而使得合金液不能充分的进行 热传导所致， 根据数值模拟技术，确定充型、凝固过程中流痕、褶皱、缩松、缩孔等缺陷的形成机 理及出现的位置，发现模拟结果与实际压铸结果十分吻合，从而迸一步验证了f l o w - 3 d 模拟仿真软件对压铸过程的真实再现能力。 4 8 0 s c 发动机罩盖铸压件的力学性能可以达到o b = 2 2 1 一2 2 4m p a ，a 。= 1 6 9 1 8 5m p a ， h b s = 8 7 - 11 2 ，可以满足奇瑞公司的使用要求。压铸件组织致密、晶粒细小，室温拉伸 断口具有韧性断裂和解理断裂的混合断口特征。 关键词：镁合金压铸，数值模拟，工艺优化，充型凝固过程模拟 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在工程上的应用 c o m p u t e rs i m u l a t i o no fm a g n e s i u ma l l o y sd i ec a s t i n gp r o c e s s e s a n da p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t i nt h i sp a p e r t h ef i l l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o ns i m u l a t i o nw e r ed o n e 晰mt h ea i do ff l o w - 3 d s o f t w a r e t h em a g n e s i u ma l l o y sd i ec a s t i n gr e f e r r e di nt h i sp a p e rw a s4 8 0 s ce n g i n ec o v e r s i m u l a t i o nc o m p r i s e sp r e - p r o c e s s ，s o l v e rp r o c e s sa n dp o s t p r o c e s s ，a n dt h ep r o p r e s s e si sa n i m p o r t a n tp r o c e s s t h e3 - dg e o m e t r i c a le n t i t ys h o u l db ei m p o r t e di n t ot h es i m u l a t i o n s o f t w a r ef i s t t h e nt h ep r o p e rm e s h i n gs h o u l db ed o n ea c c o r d i n gt ot h ed i e - c a s tf e a t u r e si n o r d e rt oa v o i dt h ei n c o m p l e t i o no rt h ei n c r e a s eo ft h em e s hq u a n t i t i e s ，i n c r e a s i n gs i m u l a t i o n t i m eo fc p u t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r ss h o u l db ed e t e r m i n e d s u b s e q u e n t l y t h es i m u l a t i o nc o u l db ed o n e r a n g eo fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e rw e r e s e l e c t e d ，a n dr a n g eo fi n j e c t i o nv e l o c i t y i sf o r m4 3m st o7 8 m s ，r a n g eo fm o u l d t e m p e r a t u r ei sf o r m18 0 0 c ，t o2 2 0 0 c ，a n dt h er a n g eo fp o u r i n gt e m p e r a t u r ei sf o r m6 8 0 0 ct o 7 2 0 0 c t h ei m p a c to ft h ei n j e c t i o nv e l o c i t y ，m o u l dt e m p e r a t u r e ，a n dp o u r i n gt e m p e r a t u r eo n f i l l i n gt i m e ，d e f e c tc o n c e n t r a t i o n ，a n dc p uc a l c u l a t i n gt i m e i n j e c t i o nv e l o c i t yw i t h6m s ， m o u l dt e m p e r a t u r ev v i t l l2 2 0 0 c a n dp o u r i n gt e m p e r a t u r ew i t h7 0 0 0 cs h o u l db ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f o r t h o g o n a le x p e r i m e n t d i f f e r e n ti n j e c t i o nv e l o c i t ys u c ha s4 3m s ，6m s ，a n d7 8m ss h o u l db ea p p l i e dt ot h e s i m u l a t i o no ff i l l i n gp r o c e s s i n ga n ds o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n g i nf i l l i n gp r o c e s s i n g ，w ec a n c o m p a r et h ei m p a c to fd i f f e r e n c ei n j e c t i o nv e l o c i t yo nf l o w i n gc o n d i t i o no fm g a l l o y ，a n d d e t e r m i n et h a tc h o o s i n gc o n f o r m a b l ei n j e c t i o nv e l o c i t yc a r lo b t a i nb e t t e rf i l l i n gr e s u l t i n s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n g ，t h ei m p a c to fd i f f e r e n c ei n j e c t i o nv e l o c i t yo ns o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s i n ga n dd e f e c tc o n c e n t r a t i o nb ec o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h ef i l l i n gp r o c e s s i n g ，w ec a n a n a l y s ec a u s eo ff o r m i n gd e f e c t ，s u c ha st h a ts l o w l yi n j e c t i o nv e l o c i t yg oa g a i n s ts u p p l e m e n t f e e d i n g ，a n df a s t l yg oa g a i n s th e a tc o n d u c t i v i t y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w ec a nd e t e r m i n ef o r m i n gm e c h a n i c sa n d p o s i t i o no ff l o wm a r k ，c o r r u g a t i o n ，s h r i n k a g ep o r o s i t y i ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s i n g t h e i i 沈阳工业大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l tt a l l i e sw i t ha c t u a ld i e - c a s t i n gr e s u l t ，s oa c t u a lr e a p p e a r a n c ec a p a c i t yo ft h e s i m u l a t i o ns o f t w a r eo ff l o w 3 db ev a l i d a t e d m e c h a n i c a lp r o p e r t yo f4 8 0 s ce n g i n ec o v e rd i ec a s t i n gi st h a to b 2 2 21 2 2 4m p a , o s = 1 6 9 - 1 8 5m p a ，h b s = 8 7 - 1 1 2 ，s a t i s f yt h er e q u e s to fc h e r yc o m p a n y s t r u c t u r eo fd i e c a s t i n gi sd e n s e ，f i n eg a i ns i z e f r a c t o g r a p hi sm i x t u r eo fd u c t i l er u p t u r ea n dc l e a v a g e f r a c t u r e k e yw o r d s ：m a g n e s i u md i e - c a s t i n g , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，p r o c e s so p t i m i z a t i o n ， s i m u l a t i o no ff 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 s i i i 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已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：j 蛩堡日期：兰堕：! ! 篁 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。 签名) 球、导师签名：办立日期：伊1 ；y 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 随着能源的紧缺及环境污染日益突出，汽车工业对低排放、高效率、轻量化的要求 提高，高性能轻质材料的开发和应用越来越引起汽车制造业的关注卜5 1 。目前，工业界 普遍应用的轻质合金多为铝合金和镁合金，而镁合金所具有的独特优点已使其成为当今 材料界的研究热点 6 , 7 1 。 1 1 镁合金成型技术的发展概述 镁合金之所以成为一种重要的工程用材料，除其本身密度小、比强度和比刚度高尺 寸稳定性好、电磁屏蔽性好、具有优良的抗腐蚀性、良好的减震性以及良好的充型流动 性等优异的性能以外8 d o ，能否方便的加工成所需要的外形也十分重要。与其他工程金 属一样，镁合金成形主要是通过两种方式：塑性变形和铸造。 镁合金的塑性成形方法很多，有挤压、轧制、锻造等。镁合金变形主要3 0 0 5 0 0 下进行【“。5 1 。与铸造镁合金相比，变形镁合金具有更高的强度，更好的延展性和更多样 化的力学性能，同时生产成本更低。另外，变形镁合金是未来空中运输，陆地交通以及 军工领域的重要结构材料，许多板材、棒材、管材等变形镁合金是无法用铸造产品代替 的。但由于应用塑性成形技术来加工镁合金存在着许多的不利条件一工作条件差，加 工精度不是很高，加工工件的外形受到一定的限制等阻碍了其发展。 当前镁合金的成形主要使用铸造工艺，镁合金的铸造成形方法大致分为：重力浇注 ( g r a v i t yc a s t i n g ) 、低压铸造( l o wp r e s s u r ed i ec a s t i n g ) 、挤压铸造、触变注射成形 ( t h i x o m o l d i n g ) 、冲锻成型( p r e s sf o r g i n g ) 1 1 6 】及高压铸造( h i g hp r e s s u r ed i ec a s t i n g ) 即通常所说的压铸方法，其中高压铸造方法特别适合镁合金铸造。 1 9 9 9 年，日本索尼、日立金属和东京精锻所共同开发成功镁合金冲锻成型技术( p r e s s f o r g i n g ) ，在产业界引起了极大的轰动。与压铸和半固态成形工艺比较，精密冲锻成型 具有生产效率高、成品率高和成本低等优点，因此，该技术在开发出来的当年就得到了 工业应用，达到了月产2 0 万套的生产规模。精密冲锻成型技术是将冲压成型与锻造成 型相结合产生的新技术。 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在工程上的应用 挤压铸造是采用低的充型速度和最小的扰动，是金属液在高压下凝固，以获得可热 处理的高致密度铸件的铸造工艺。研究表明，当充型速度小于2m s 、充型压力大于7 0 m p a 时，即可获得可热处理的铸件【1 7 】。由于挤压铸造的充型压力比重力金属型铸造高级 个数量级，使充型金属液冷却速度由重力金属型铸造的1 1 0 c s 增至2 8 2 0 c s ，改变凝固 合金中相的组成和数量，增大合金与铸型间的传热系数，抑制金属液中的气体的析出， 从而减少铸件中的缩松和气孔缺陷，提高铸件的致密度。因此挤压铸造的铸件晶粒细小， 组织致密，力学性能优异。 近年来，在现有的压铸方法基础上发展出了一些新的铸造方法，最重要的两种方法 为非直接挤压铸造( i n d i r e c ts q u e e z ec a s t i n g ) 与半固态铸造( t h i x o - c a s t i n g ) ，特别针 对于镁合金的制造方法为半固态成形方法【阁。与一般的压铸方法相比，半固态成型新工 艺利用了相对较低的压射速度以避免涡流。该方法主要适用于壁厚相对较厚的工件。半 固态铸造在铝合金压铸生产中已得到稳定的应用，欧洲的一些压铸企业中也开始应用该 方法生产镁合金结构件。现在镁合金件大多是采用传统的高压铸造方法生产的，而未来 的进展则是更多地向着挤压铸造、真空压铸、半固态压铸等低缩松成型工艺和技术的方 向发展。 目前，世界各国铸造成形加工技术的研究发展方向：一是重大工程中的特大型铸件 的关键铸造技术：二是净终成形技术( n e ts h a p ec a s t i n g ) ，例如铸件的轻量化、强韧 化、精密化及工艺的复合化将是精确铸造成形技术发展的主要内容：三是用计算机模拟 仿真技术来逐步代替传统的经验性研究方法。 1 2 镁合金压铸技术的特点及其新发展 压铸是镁合金最主要的成形工艺 1 9 - 2 1 】，世界镁合金铸件的9 3 是用压铸工艺生产 的。镁合金有很好的压铸工艺性能： ( 1 ) 镁合金液态粘度低、流动性好，易于充型，可以很容易地生产壁厚1 0 2 0t o l d 的压铸件，现在最小壁厚可达0 6m i l l 。 ( 2 ) 镁合金压铸件的铸造斜度为1 5 度，而铝合金是2 0 3 5 度，因此所获得铸件 尺寸精度高。 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 镁合金的熔点和结晶潜热都低于铝合金，压铸过程中对模具的冲蚀小，且不 易粘模，其模具寿命比铝合金压铸模具长2 - - 4 倍。 ( 4 ) 镁合金压铸周期比铝合金短，生产率比铝合金提高2 5 。此外，镁合金切削 加工性能优于铝合金，切削速度比铝合金快5 0 ，加工耗能比铝合金低5 0 0 如图1 1 所示，镁合金有热室压铸和冷室压铸两种方式，主要取决于铸件的壁厚， 厚壁件采用冷室压铸机，而薄壁铸件使用热室压铸机，主要原因是镁合金的流动性高， 凝固潜热小，凝固时间短。目前还没有镁合金专用的冷室压铸机。当用普通冷室压铸机 压铸镁合金时，必须对压铸机的压射系统和自动给料系统进行必要的改造，使之适用于 镁合金压铸的要求。改造的内容包括： ( 1 ) 将压射系统的快压射速度由压铸铝合金时的4 5m s 提高到0 1 0m s ： ( 2 ) 缩短增压过程的建压时间： ( 3 ) 提高压射力； ( 4 ) 采用电磁自动定量给料装置，防止镁合金在浇注过程中氧化； ( 5 ) 如采用真空压铸等特种压铸工艺时，配置必要的配套设备。 随着汽车工业的发展及日益严格的轻量化和环保要求，镁合金冷室压铸技术将成为 镁合金压铸的重要发展方向。可以预测，对镁合金专用冷室压铸机的强劲需求，将促使 图1 1 镁合金压铸加工 a ) 冷室压铸加工b ) 热室压铸加工 f i g 1 1m g - a l l o yd i e - c a s t i n g a ) c o l d - c h a m b e rd i e - c a s t i n gb ) h o tc h a m b e rd i e - c a s t i n g 一3 一 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在工程上的应用 镁合金专用冷室压铸机很快形成系列产品。 镁合金热室压铸机是针对镁合金的物理化学性质和压铸工艺特点而设计的，是目前 国外在镁合金压铸中应用最广泛的镁合金压铸专用设备。与普通热室压铸机的主要不同 点是：镁合金热室压铸机要求具有更高的压射速度( 一般在8m s 以上) ；压射完毕时 要求压射系统液压冲击小：熔化保温坩埚炉的工作温度比锌合金热室压铸机的工作温度 要高( 约为6 6 0 0 c 左右) ，且对温度控制较严格；由于镁合金熔体易氧化燃烧，因此镁 合金熔化保温坩埚炉应为封闭式结构，并配置防止镁合金熔液氧化的保护气体输入装 置。由于热室压铸时镁合金熔液是直接进入压铸型的，避免了冷室压铸时在浇注过程中 合金液的氧化和所形成的氧化浮渣，而且温度损失小，因此镁合金热室压铸机更适合用 于生产外观要求较高的薄壁铸件。由于镁合金热室压铸机压射压力较小且通常无增压， 一般不适用于生产汽车、航天航空器中要求较高的大型、厚壁、高载荷零件。目前，冷 室压铸机的最大锁型力己达3 5m n ，压射冲头的压射速度高达1 0m s ，热室压铸机正向 大型发展，锁型力为9 3m n 、压铸件最大重量达6 4k g 的大型热室压铸机己投入使用， 表1 1 给出了冷热室压铸机主要参数的对比。德国a u c h e n 大学改进了冷室压铸机压室 金属液的充填方式，由传统的上部充填改为由下部充填，使镁合金液以平稳的层流方式 充填压室，减少了卷气和氧化夹杂【2 2 1 ，如图1 2 所示。采用型腔抽真空的方法也可减少 镁压铸件的气孔。针对复杂件，d y n a c a s t 公司开发出4 滑块镁合金压铸机，其操作速度 可达普通压铸机的5 倍，铸件的尺寸精度也得到改进。压铸机的控制系统也在不断改进， 实时控制技术已用于镁合金压铸机。随着智能家电、电子、计算机、通讯等新兴产业的 蓬勃发展，将会对作为绿色制造材料的镁合金产生旺盛的需求，镁合会热室压铸机将朝 着系列化、多功能、全自动、可远程人机对话等方向发展。 沈阳工业大学硕士学位论文 表1 1 冷热室压铸机主要参数对比 t a b l e1 1c o m p a r i s o nw i t hm a i n l yp a r a m e t e ro f c o l d c h a m b e rm a c h i n e a ) 上邵填充 b ) 下部填充 图1 2 不同的压室充填方式示意图 f i g 1 2d i f f e r e n tf i l l i n gm o d eo f d i e - c a s t i n gr o o m a ) u p - p a r tf i l l i n g ”d o w n - p a r tf i l l i n g 近年随着科学技术的快速发展压铸成形技术的基础上，开发出了如半固态压铸、注 射成形等多种低缩松成形工艺及技术口3 ，2 4 1 。半固态成型工艺被认为是2 l 世纪最具发展 前途的净终成形技术之一。根据工艺流程的不同，可分为流变压铸成形技术和触变成形 技术。目前国内外工业应用的半固态成形工艺主要是触变成形。触变成形是将制浆和成 形分离，方便、灵活，便于大规模专业化生产。但触变成形需要二次加热，能耗大，坯 料重新加热，易变形，晶体易长大变粗，破碎晶团时易畸变，加热后的固相率要求较严 格，成本高：流变成形的工艺较简单，能耗较低，铸件的成本较低，但流变成形中半固 态金属浆料的保持及输送控制等要求严格，在很大程度上限制了流变成形的应用【2 5 瑚】。 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在l ：程上的应用 1 3 铸造过程模拟仿真 1 3 1 铸造过程数值模拟国内外发展概述 材料成形加工过程计算机模拟与仿真是当今国际公认的材料科学与制造学的重要 前沿领域之一。目前，世界各国在材料成形加工过程的发展趋势主要有两个方面：一是 向精确或称净终形技术( n e ts h a p ep r o c e s s ) 方向发展；二是用计算机模拟仿真来逐步 代替传统的试错法( t r i ma n de r r o r ) 等经验性研究方法。这些新技术必须建立在成形过 程模拟仿真的基础上才能实现高质量、短流程、低成本的最终结果。 铸造生产的实质就是直接将液态金属浇人铸型并在铸型中凝固和冷却，进而得到铸 件。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷( 如卷气、夹渣、浇 不足、冷隔及砂眼等) 都是在充型不利的情况下产生的。因此，了解并控制充型过程是 获得优质铸件的重要条件。但是，由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程的 把握和控制主要是建立在大量试验基础上的经验准则。随着计算机技术的发展，铸件充 型凝固过程数值模拟受到了国内外研究工作者的广泛重视，从8 0 年代开始，在此领域 进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化 方面均取得了重大突破。目前铸件充型凝固过程数值模拟的发展已进入人工程实用化阶 段。应用先进的数值模拟技术，铸造生产正在由经验走向科学理论指导。通过充型凝固 过程模拟，人们可以掌握主要铸造缺陷的形成机理，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。与充型过程相比，铸件凝固过程温度场模拟相对要成熟 得多，温度场模拟以及建立在此基础上的铸件缩孔、缩松预测是目前凝固模拟商品化软 件最基本的功能模块之一。应用先进的数值模拟技术，铸造生产正由实验走向科学理论 指导下的过程 2 7 - 3 0 】。 在压铸生产中，液态或半固态的金属在高速、高压下充型，并在高压下迅速凝固， 容易产生留痕、浇不足、气孔等铸造缺陷，同时易于造成模具的冲蚀、热疲劳裂纹等， 缩短了模具的使用寿命。因此，充分了解充填过程的流动和换热规律，设计合理的铸件、 铸型结构及浇注系统，选择恰当的压铸工艺参数，实现理想的型腔填充和模具的热平衡 状态，可以提高铸件的质量，提高压铸生产的效率。 沈阳工业大学硕+ 学位论文 目前，国际上压铸过程的数值模拟研究主要有以下几个部分：模具与压铸件的温度 场、型腔填充过程的流场数值模拟，模具与压铸件应力场的数值模拟，凝固过程、微观 组织数值模拟以及组织模拟方法等。 模具与压铸件温度场数值模拟方面：美国f l 0 ws c i e n c e 公司的m i c h a e lb a r k h u d a r o v 博士 3 1 l 利用f l o w - 3 d 模拟软件对一定循环使用次数后模具的温度场进行模拟，并且模 拟了压铸件在充型过程中产生气孔等缺陷的位置，给实际生产提供了理论指导。马秋等 m l 利用商用模拟软件p r o c a s t 采用k - e 双方程模型对汽车换档壳体的温度场进行了模 拟，并优化了模具的浇注系统，预测了铸件中与充型过程有关的铸造缺陷发生的部位， 从而实现缩短镁合金压铸件的试制和工艺定型周期，数值模拟的结果为实际生产提供了 重要的依据。d h i r e nm o d i 等1 3 3 提出了一种在充型过程中提高效率和精确度的方法：“网 格密度水平”法，即根据单元大小定义个压射半径的比率，用来研究圆柱型浇道温度 场数值计算结果的精确性和收敛问题。李朝霞等【圳用数值模拟的方法计算分析了镁合金 压铸过程模具温度场的分布特征即模具内温度随着压铸周期的进行有周期性地上升和 下降，从而得出了模具和铸件接触的表面层所受热应力最大的结论。 型腔填充过程的流场数值模拟方面：贾良荣等p 5 】基于有限差分法建立了液态金属充 填型腔过程的流动及耦合传热计算的数学模型，使用s o l a v o f 数值模拟技术，分别用 层流假设和k - e 紊流模型对“弓”形型腔充型过程的流场进行了模拟计算，并与压铸水 模拟实验的高速摄像进行了比较，得到了采用紊流模型能更精确地模拟压铸充型过程的 结果，同时还提出了“瞬态层”的概念。k u m a ra 等 3 6 , 3 7 1 采用有限差分法利用低密度流 体使得壁剪切力为零，提出了“零剪切速度”这一概念，并利用了充型过程模拟结果优 化了模具和预测了冷却时间。 模具与压铸件应力场的数值模拟方面：由于压铸过程的传热、边界条件以及压铸件 的结构等较为复杂，对压铸过程进行应力场和变形的数值模拟难度较大，但已有研究者 在这方面做了很多工作。李朝霞等1 3 8 】利用有限差分有限元集成应力分析系统，模拟了 镁合金压铸用模具在压铸过程承受的应力场和变形。通过分析模具在合模过程及开模时 刻的应力变化和变形趋势，对铸件尺寸精确度进行了预测，并对压铸过程工艺参数的优 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在1 ：程上的应用 化提出了见解。西安交通大学李梅娥等【3 9 】分析了铸造过程应力场模拟的研究现状，介绍 了应力场模拟常用的模型如统一内变量模型及流变学模型，并指出如果要准确计算铸件 应力场，需要对铸型本身的热应力场及件型间的相互作用进行模拟，对今后应力场的模 拟方向有了一定的指导意义。在对铸造应力进行模拟分析时，由于应力变形做功引起的 热效应同温度变化和凝固潜热释放的热效应相比可忽略不计，故一般铸造过程的热分析 和应力分析可单独进行，只需将温度变化数据转化为温度载荷a n * 应力解析中。而y a og f 4 0 l 提出了一种压力速度迭代的新方法，并将g e n e r a lm i n i m u mr e s i d u a l ( g m r e s ) 和 g e n e r a l i z e d c o n j u g a t e g r a d i e n t ( g c o ) 算法应用到新计算方法中，并加以实际模拟计算。 凝固过程数值模拟方面：目前对材料的研究可分为以下不同的尺度： ( 1 ) 宏观的工艺水平，典型数量级为o 0 l lm ，主要考虑传热、对流等宏观现象。 ( 2 ) 介观尺度，典型数量级为o 1 1 0m l n ，研究晶粒的形成，主要受宏观现象及 微观的形核及生长动力学的影响。 ( 3 ) 微观水平，典型数量级为0 1 1 0 0l a m ，研究稳定态枝晶尖端生长动力学、共 晶层片间距及粗化现象，但没有考虑对流的影响。 ( 4 ) 原子尺度，典型数量级为o 1 ln n l ，研究固液界面原子的扩散。 自从上世纪8 0 年代中期以来，各国都对铸件凝固模拟开展了研究。铸造凝固过程 数值模拟的目的并不仅仅是为了获得不同时刻的温度场，更在于进一步预测和控制铸件 的微观组织。微观组织直接决定着铸件的力学性能和使用性能。利用计算机模拟的方法 预测出铸件的凝固态微观组织，依据此来调整生产工艺，直至生产出理想凝固态组织的 铸件，得到优良的综合力学性能，达到优化生产工艺的目的【4 ”。在过去的十多年时间里， 有关凝固过程的模拟工作主要集中在宏观尺度的模拟。铸件凝固温度场的数值模拟发展 比较成熟【4 2 , 4 3 1 ，对缩孔缩松、热裂等缺陷的预测研究也很深入，并已经在生产中得到了 应用m 4 6 1 ，而对于合金的微观组织模拟则起步较晚，但是发展很快。 铸造合金的微观组织模拟是当前材料学科的热点，从液态金属凝固的角度来说，研 究方法主要有确定性方法、随机性方法和相场方法等。 一8 沈阳 业大学硕士学位论文 确定性模拟是指在给定时刻、一定体积熔体内晶粒的形核密度和生长速度是确定的 函数。 随机模型是指主要采用概率方法来研究晶粒的形核和长大，包括形核位置的随机分 布和晶粒晶向的随机取向。凝固过程中的传质过程以及能量和结构起伏时的随机过程， 因此，采用概率方法来研究微观组织的形成过程更能接近实际。随机性模拟方法中主要 包括有m o n t ec a r l o 法f 4 7 1 和c e l l u l a ra u t o m a t a 法【鹌, 4 9 1 。 固液界面结构取决于结构有序化与热致无序的竞争。相场理论则通过微分方程反映 了扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用。相场方程的解可以描述金属系统中固液 界面的形态、曲率以及界面的移动。把相场方程与温度场、溶质场、流速场及其他外部 场耦合，则可以对金属液的凝固过程进行真实的模拟，所以相场方法也称为直接的微观 组织模拟 5 0 - 5 3 l 。 1 3 2 铸造过程模拟仿真理论基础及数学模型 铸件充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算流体力学、 传热学、计算机图形学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。铸件充 型过程的流场温度场的模拟包括很多内容，如几何实体造型、计算域的网格划分、充型 过程中自由表面的处理、流场中速度和压力的求解、充型过程紊流的模拟、充型过程对 凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及计算结果的可视化等。 计算机模拟仿真的关键核心技术是对各种方程的求解过程，不同的求解方法决定了 计算效率的高低以及数据量的多少。常用的数值算法有有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ，f d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 和边界元法( b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o d ，b e m ) 等，如图1 - 3 所示。新的数值计算方法与技术，如无单元法( e l e m e n tf r e e m e t h o d ，e f m ) 、并行计算技术等不断涌现。无论采用哪种算法，对于压铸模拟仿真而 言，所用到的理论基础是相同的。压铸中的物理过程采用不完全微分方程式来描述。 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在一l ：程上的应用 ：j = 二二二囊 薛嚣荨：丰尹。 卜0j l ，一 封攒 廿。 二：工二：二= = 二二二二：一一一一； 。t 一一 一+ l _ + 一一一i -，。 图1 3 不同数值计算技术所采用的网格剖分方法 a ) 有限差分法( f d m )b ) 有限元法( f e m )c ) 边界元法( b e m ) f i g 1 3p l o t t i n gm e s hm e t h o do f d i f f e r e n ts i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a ) f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o db ) f i n i t ee l e m e n tm e t h o dc ) b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d 充型凝固过程数值模拟的一项基本内容是用有限差分或有限元等数值方法求解质 量守恒方程( 连续性方程) 和动量守恒方程即纳维尔斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程， 简称n - s 方程。在铸件充型过程数值模拟中，将液态金属看作不可压缩流体，其流动过 程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和n a v i e r - s t o k e s 方程。 连续性方程 d ：丝+ 堡+ 丝：0 ( 1 1 ) 出却以 n s 方程 p(要+罢+v祟罢)：一罢+tvu 4 - w 4 - l l v 。u p i 一+ + v 一一) = 一二 p 窖，+ 一8 ia ) c 卸0 z 。瓠 尸( 昙+ “罢+ v 詈+ w 一票+ p g y + 胛2 v ( 1 2 ) 一a t瓠 卸a z 执 1 、1 p ( 祟+ “罢+ i a w + w i a w ) = 一害+ p g ：+ 2 w 一8 ta ) ca 、，8 z 钯 2 7 式中，口一散度； u ，v ，。一速度矢量在x ，y ，z 方向上的分量： 一 一1 | j 二 沈阳工业大学硕士学位论文 p 单位密度的压力； p 一运动粘度； 卜重力加速度： v 2 也普拉斯算子，v 2 = 导+ 导+ 等。 能量方程 卯+pc“罢+雾+删警=昙c七罢，+品c詈，+鲁ckpc37 p cp c v k 等z ，+ s ，+ “面+瓦+ 删瓦2 瓦( 七瓦) + 瓦( 石) + 瓦( 了2 ) + s ( 1 1 3 ) 式中等号左边的第2 ，3 ，4 项即为由于流体流动所引起的温度变化，该式表明此时的导 热过程由二部分组成，除了流体的导热能力外，还依靠它的宏观位移来传递热量。 采用体积函数法跟踪自由表面移动时，还需要求解体积函数方程： 警+ “篆+ v 等+ w 要= o c m 国 融 却彘 、1 “7 实际上连续性方程、n - - s 方程、体积函数方程和上面的能量方程均可以用下面的 通用微分方程来描述 盖( 胛) + d i v ( p u q o = d i v ( f g r a d 口o ) + s ( 1 5 ) 式中，妒因变量； 厂扩散系数： 孓源项。 对于特定意义的矿，具有特定的量厂和s 。式中的四项分别为不稳定项、对流项、 扩散项和源项。因变量可以表示各种不同的物理量，如速度分量、温度等。 要求解上述方程，首先要进行离散处理，离散后采用s o l a 法求解压力场和速度场， 用v o f 法进行自由表面处理。 在压铸充型数值模拟过程中，目前多采用k - e 双方程紊流模型，对于近壁粘性层， 采用壁面函数法对近壁的网格点的紊动动能和紊动耗散率进行修正。采用统一的形式， 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在工程上的应用 在直角坐标系下可将压铸充型过程中紊流对流换热的控制方程、k - e 紊流模型中的紊动 动能x 和紊动耗散率8 以及处理自由表面的体积函数方程用统一的传输方程表示如下 鲁c 川+ 击c 舻击c 厂一等一 m s ， 式中，o 广坐标分量，= l ，2 ，3 ： z l 广_ 一在x j 方向上的速度分量： 卜通量，为传输系数；岛为源项。 1 3 3 压铸充型过程数值模拟 压铸充型过程中，型腔的填充模式是影响铸件质量的关键因素之一，因而充型过程 的流场控制是压铸工程的核心环节。压铸充型在高压高速条件下进行，金属液的流动可 以认为是带有自由表面的常物性粘性不可压缩牛顿流体的非稳态流动。由于充型时间 短，而雷诺数通常大于1 0 5 ，其流动被认为是未充分发展的紊流流动。流动流体的前沿 是不连续的甚至有喷射雾化的现象，因而给数值模拟带来很大的困难。目前的研究主要 采用紊流模型进行模拟，并着眼于修j 下计算模型与算法，使得充型模拟更能接近于实际 充型情况。 紊流是一种高度复杂的非稳态三维流动，流体的各种物理参数( 如速度、压力和温 度等) 都随时间和空间发生随机变化。关于紊流运动与换热的数值计算，是目前计算流 体动力学与计算传热学中困难最多、研究最活跃的领域之一。 紊流模拟采用的数值方法大致可以分为如下三类： ( 1 ) 完全模拟这是用非稳态的n s 方程来对紊流进行计算，无须引入任何模型， 但需要在紊流尺度的网格尺寸内求解。这是目前计算机容量及速度难以解决的，至少在 近期尚不能实现。 ( 2 ) 大涡旋模拟这种方法用非稳念的n s 方程来直接模拟大尺度涡，但不直接 计算小尺度涡，小涡对大涡的影响通过近似模型来考虑。这种方法仍然需要较大的计算 机存储容量，只能模拟一些简单情况，目前仍不能直接用于工程实际。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 雷诺时均方程法在这类方法中，将非稳态的控制方程对时间做平均，在关 于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时均值等物理量，所得方程的个数少于 未知量的个数，而且不可能依靠进一步的时均处理来使方程组封闭。紊流模型有零方程 模型、单方程模型和双方程模型。其中，双方程模型在铸造充型过程中得到了较广泛的 应用。一般认为，由于压铸充型的时间非常短，因此使尚未充分发展的流动，应该研究 适用于这种紊流的模拟方法。 铸件充型过程中如何处理流体的表面问题是另一难点，因为难以确定自由表面的位 置和形状。考虑自由表面的计算流体动力学是其数值模拟的基础。用来处理自由表面的 方法主要有m a c ( m a k e r a n d c e l l ) 法和v o f ( v o l u m e o f f l u i d ) 法。 m a c 法是在e u l e r 矩形网格上建立了n a v i e r s t o k e s 方程的差分格式，比如用流函 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。它根据已知速度场得到下一时刻有关压力场泊松方程，求出压力场后再求出下一时 刻的速度场。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。 自由表面处理方法的另一个重大突破是v o f 法的提出，这是由美国l o s a l a m o s 国 家实验室的研究人员首先提出的。1 9 8 1 年，h i r t 和n i c h o i s 提出了二维v o f 算法。v o f 算法定义了一个体积函数f q ，j ，z ) ，在被流体占据的点上f 值为l ，否则为0 。当对 一个流体单元进行平均时，f 的平均值等于流体占据的体积分数值，特别是当f 为1 时， 格子被流体充满；当f 等于0 时，格子中无流体；当0 f i 则表示流体单元中具有自 由表面。这样，通过解出每个单元中的液相体积分数，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减少了自由表面的计算工作量。一个单 元只需一个存储量，显著较少了自由表面的计算工作量。 目前在铸造充型过程模拟中，普遍采用v o f 法来求解金属液充型流动的自由表面 问题。但是，入们在应用中逐渐认识到v o f 法的不足之处，就与s o l a 方法与相结合， 用来求解带有自由表面的流动问题，这就是s o l a v o f 法。 镁合金压铸充型过程的计算机模拟及在亡程上的应用 1 3 4 压铸凝固过程数值模拟及缩孔、缩松的预测 众所周知，金属凝固时，液态收缩和液固相线之间的体积收缩即凝固收缩是形成 缩孔及缩松的主要原因。当补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中 缩孔( 一次或二次) ，且位于铸件可流动单元的上部；而当枝晶形成骨架、宏观补缩通 道被堵塞时，被技晶分割包围的液体部分的体积收缩表现为缩松( 枝晶范围内) 。固态 收缩对缩孔、缩松的形成影响不大，因此可不考虑固态收缩。铸件在实际凝固过程中， 当金属液从液态转变为固态时，原子间距要大大减小，在宏观方面表