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两华大学碗学位论文 汽车轮毂压铸模具温度场的数值模拟分析 材罄 加1 = _ _ ：程专业 研究生周矗辉指导教师是卫教授 摘要 压铸模具的温度场分布是影响压铸件质量及模具寿命的关键因素，模 具的温度场决定了其承受热应力的程度，以及产生变形和裂纹的倾向。 本文概述了压铸模具温度场数值模拟与鼙用的研究进展与发展方向， 介绍了温度场数值模拟有限单元法的数学模型及其解洼。并且针对某公司 的一个铝制压铸件汽车轮毂，运用有限元分柝软件p r o c a s t 对其压铸模 进行了压铸过程温度场分析。 压铸王岂参数和模具结构直接影响到模其的温度坜，本文用对比的方 法定量地研究了浇注温度、模具预热温度、冷却水的温度、冷却水管的直 径及其位置对模其温度场的影响。 铝合金的浇注温度一般为6 0 0 7 0 0 。本文分析了浇注温度分别为 6 5 04 c ，6 7 0 c ，7 0 0 。c 时，压铸模具温度场的分布。从模具型腔表面的温 度一时间酱以及升温速率来看，浇注温度为6 5 0 z r 时，模具的表面平均温 度最高为3 2 3 3 5 ，在金属液充入型腔后0 。1 0 s 这段时间内，型腔表面的 平均升温逮率为84 4 5 9 c s 。综合考虑，该铸作采用6 5 0 c 豹浇注温成较 合理。 对摸其进行适当的预热，可降 匮棋其型羟表厦痿的温度梯度。本文分 析了模其预热温度分别为1 8 0 。c ，2 0 0 c ，2 4 0 时，压铸模具温度场的分 布。从模具型腔表剥层的温度梯度和升温速率来看，采用2 0 0 的模具预 热温度是舍理的。并且在金属液充入型腔后o 5 s 这段时问内，型腔表面 西华大学硕士学位论文 的平均升温速率是7 0 7 3 4 。c s ，型腔表面层的温度梯度是1 2 7 7 r a m 。 冷却系统对模具的温度场有很大的影响。本文分析了冷却水的温度分 别为3 0 。c ，5 0 时模具的温度场。结果表明，水温分别为3 0 ，5 0 时， 模具的温度梯度和升温速率基本一样。故冷却水的温度对于实际生产影响 不大，因此可把冷却水的温度适当调高到5 0 左右。 冷却水管的位置对模具的温度场影响较大，本文分析了冷却水管分别 离型腔表面3 5 m m 、4 5 m m 时模具的温度场。结果表明，当冷却水管离型腔 表面3 5 m m 时，型腔表面层的升温速率是1 1 1 2 2 s ，温度梯度是1 0 9 7 5 。c m m 。而当冷却水管离型腔表面4 5 m m 时，型腔表面层的升温速率是 9 5 2 5 9 s ，温度梯度是1 5 0 4 5 m m 。故当冷却水管离型腔表面3 5 m m 时模具的升温速率高，热量传递快，而温度梯度低，模具的温度场分布较 合理。 同样，冷却水管直径不同，模具的温度场不一样。本文分析了管径分 别为8 m m 、9 r a m 、1 0 5 m m 时模具的温度场。结果表明，管径分别为8 m m 、 9 m m 、1 0 5 m m 时，等温区分别离型腔表面0 2 m m 、2 - 4 m m 、4 6 r a m 。且 采用直径1 0 5 m m 的冷却水管时，型腔表面平均升温速率是1 1 1 2 2 。c s ， 型腔表面层的温度梯度是1 0 9 7 5 m m ，模具温度场分布比管径为8 m m 、 9 m m 时更合理。 关键词：压铸模具，温度场，数值模拟，工艺参数，冷却水管 i i 西华大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do ft h e d i ef o rp r o d u c i n gw h e e lh u bi nd i ec a s t i n gp r o c e s s m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：z h o uy u h u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw u w e t a b s t r a c t t h et e m p e r a t u r ef i e l d so ft h ed i ec a s t i n gd i e sa r ec r i t i c a lt ot h eq u a l i t yo f c a s t i n g sa n dt h es e r v el i f eo ft h ed i e s i td e t e r m i n e st h ed e g r e et h a tt h ed i e ss u b j e c t t ot h e r m a ls t r e s s ，a n dt h el i a b i l i t yt h a tt h ei n i t i a t i o n so fd e f o r ma n dc r a c ko ft h ed i e s t h i s p a p e rd e s c r i b e d t h er e s e a r c hp r o g r e s sa n dd i r e c t i o na b o u tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n s t u d y a n di t s a p p l i c a t i o n o fd i ec a s t i n gd i e st e m p e r a t u r ef i e l d ， i n t r o d u c e dt h ef e mm o d e la n di t ss o l u t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft e m p e r a t u r e f i e l d a n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ed i ec a s t i n gp r o c e s so fd i e c a s t i n gd i e s ，a n a l u m i n o u sd i ec a s t i n g w h e e lh u b0 fac a r h a sb e e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e db y f e ms o f f w a r ep r o c a s t p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fd i ec a s t i n ga n ds t r u c t u r e so ft h em o u l dc o n t r i b u t e d t o t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o ft h ed i e sd i r e c t l y t h ea u t h o r d i s c u s s e d q u a n t i t a t i v e l yt h ee f f e c to fp o u r i n gt e m p e r a t u r e ，p r e h e a tt e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r e o fc o o l i n gw a t e r , d i a m e t e r so fw a t e rl i n e sa n di t s p o s i t i o n o nt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nb yc o m p a r i s o n g e n e r a l l y , t h ep o u r i n gt e m p e r a t u r e i sb e t w e e n6 0 0 。c a n d 7 0 0 。co ft h e a l u m i n u ma l l o y t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i e s w h e na d o p t i n gd i f f e r e n tp o u r i n gt e m p e r a t u r e6 5 0 。c ，6 7 0 。c a n d7 0 0 c t h ec u r v ei n t h ef i g u r eo ft e m p e r a t u r ev st i m ea n dt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t eo ft h ec a v i t ys u r f a c e 嚣华大学壤士学位论文 s h o w e d ，w h e nt h ep o u r i n gt e m p e r a t u r ew a s6 5 0 。c ，t h eh i g h e s ta v e r a g et e m p e r a t u r e o ft h ec a v i t ys u r f a c ew a s3 2 3 3 5 。c ，a n dt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t ew a s8 a 4 5 9 。c s b e t w e e nt h et i m e0 一l o sa f t e rm e t a lh a df u l li n t oc a v i t y a n di tw a sr e a s o n a b l et o a d o p tt h ep o u t i n gt e m p e r a t u r e6 5 0 0 c p r e h e a t i n gt h ed i e sw o u l dr e d u c et h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h ed i e s t h i s p a p e rd i s c u s s e d t h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i e sw h e na d o p t i n g d i f f e r e n tp r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e1 8 0 c ，2 0 0 。c a n d2 4 0 c t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t a n dt h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t eo ft h ec a v i t ys u r f a c es h o w e dt h a ti tw a sm o r e r e a s o n a b l ew h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r ew a s2 0 0 “c 。a n dt h et e m p e r a t u r er i s i n g r a t ew a s7 0 7 3 4 sb e t w e e nt h et i m e0 5 s a f t e rm e t a lh a df u l li n t oc a v i t ) ；t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tw a s1 2 ，7 7 * c m m c o o l i n gs y s t e mi n f l u e n c e dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ed i e sg r e a t l y t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i e sw h e na d o p t i n gd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e3 04 c ，5 0 。c o fc o o l i n gw a t e r , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r e f i e l dw a sa l m o s tt h es a m e s ot h et e m p e r a t u r eo ft h ec o o l i n gw a t e rh a dl i t t l e i n f l u e n c e0 nt h e d i ec a s t i n gp r o d u c t i o n ，a n dd u r i n gd i ec a s t i n gp r o c e s st h e t e m p e r a t u r e5 0 o fc o o l i n gw a t e r w a sg o o d t h ep o s i t i o n so ft h ew a t e rl i n e sh a dag r e a te f f e c to nt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fd i e s t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ed i ew h e nt h e w a t e rl i n e sh a dad i f f e r e n td i s t a n c et ot h ec a v i t ys u r f a c e 。t h er e s u l t ss h o w e dt h a t w h e nt h ed i s t a n c ew a s3 5 m m ，t h et e m p e r i t u r er i s i n gr a t ew a s1 1 1 2 2 。c s ，t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tw a s1 0 9 7 5 * c m mo ft h ec a v i t ys u r f a c e ，a n dw h e nt h ed i s t a n c e w a s4 5 m m ，t h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t ew a s9 5 2 5 9 2 s ，t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t w a s1 5 0 4 5 m m s ow h e nt h ed i s t a n c ew a s3 5 m m ，t h et e m p e r a t u r er i s i n gr a t ew a s h i g h e ra n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tw a sl o w e r , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a s m o r er e a s o n a b l e a l s o ，t h em o u l dw o u l dh a v ead i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l dw h e nt h ew a t e rl i n e sh a da d i f f e r e n td i a m e t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ed i ew h e na d o p t i n g d i f f e r e n td i a m e t e r8 m m 9 r a ma n d1 0 5 r a m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei s o t h e r m a ll a y e rw a s i v 蘸华大学硕士学谴论文 0 - 2 r a m ，2 4 r a ma n d4 - 6 r a mw h e nt h ed i a m e t e rw a s8 m m ，9 m ma n d1 0 5 m ms e p a r a t e l y a n d w h e nt h ed i a m e t e rw a s1 0 5 m m ，t h ea v e r a g et e m p e r a t u r er i s i n gr a t eo ft h ec a v i t y s u r f a c ew a s1 1 1 2 2 。c s ，t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n tw a si o 9 7 5 “c m m ，a n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nw a sm o r er e a s o n a b l et h a nw h e nt h ed i a m e t e ro ft h ew a t e r l i n e sw a s8 r a ma n d9 r a m k e yw o r d s ：d i ec a s t i n gd i e s ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o c e s s i n g p a r a m e t e r , w a t e rl i n e s v 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 压铸的特点与压铸模工作状态 1 1 1 压铸特点 压铸是指液态金属或半液态金属，在高压作用下，通过压射冲头的运动， 以合理的速度充填压铸模型腔，并在压力下快速凝固成形而获得铸件的一种 铸造方法。 压铸时常用比压从数百m p a 至数干m p a ，甚至超过两万m p a 。速度可达 到5 - 5 0 m s ，充填时间一般为0 0 1 0 2 秒。因此，高速、高压是压力铸造与其 他铸造方法区别的重要特点。压力铸造与其他铸造方法相比有如下特点： ( 1 ) 生产效率高，主要是压铸机效率高，平均每小时压铸5 0 2 5 0 次； ( 2 ) 可进行连续的大量生产，可一模多件； ( 3 ) 产品质量好； ( 4 ) 尺寸精度高，可达到g b l 5 9 5 96 - 7 级； ( 5 ) 表面光洁度高，可达到g b l 0 3 1 6 85 - 8 级； ( 6 ) 机械性能高，表1 - 1 列出了铝合金在不同铸造方法中的机械性能。 表卜1 铝合金在不同铸造方法中机械性能【1 1 t a b l e1 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma h o y su n d e r d i f f e r e n tc a s t i n gm e t h o d s 【1 】 机械性能 压力铸造金属型铸造砂型铸造 种类 0b 6 ( )h b ob 6 ( )h b ob 6 ( n m m 2 ) ( n m m 2 )( n m m 2 ) ( ) h b a 1 2 0 0 2 2 01 5 2 26 61 4 0 1 7 00 5 1 06 51 2 0 1 5 01 26 0 a i ，s i2 0 0 2 3 0 4 5 - 66 51 8 0 ，2 2 02 36 51 7 0 1 9 02 36 5 1 1 2 压铸模工作状态 在压铸生产中，由于液态金属与压铸模具表面的接触和冲刷，压铸模承 受各种冲击，如热冲击、机械冲击和化学冲击，模具受周期性热应力和机械 西华大学硕士学位论文 应力作用，模具工作条件十分恶劣。因此，模具要求具有高的熟弹性、抗热 疲劳性、耐磨性和耐腐蚀性i2 1 。压铸过程中，高压产生机械冲击，如磨损和 机械应力，磨损会导致浇注部位失效。由于铸造压力引起的机械冲击可达到 5 0 1 5 0 m p a ，但比热应力要小得多。图1 - 1 是压铸模失效与应力关系图【3 】口 e a c hd i ec a s t i n gs h o t lll m a t e r i a lf l o wi nc a s t i n g h e a tt r a n s f e rf r o m l i q u i dp r e s s u r eo nd i es u r f a c e a r e am e t a lt od i es u r f a c e ii w e a ra n dw a s h i n go u tm e c h a n i c a ls t r e s s t h e r m a le x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o nc o r r o s i o n ， 上上上 j r d i e w e a ra n d h e a tc h e c k i n g d e f o r m a t i o n c r a c ki n i t i a t i o ns p o n t a n e o u s w a s h i n g p r o p a g a t i o n f r a e t u r e f i g 1 1c o r r e l a t i o nb e t w e e ns t r e s s e sa n df a i l u r e si nd i ec a s t i n gd i e s 3 1 图卜l 压铸模应力与失效形式 3 l 从图卜1 可以看出，模具的使用寿命在压铸生产中受到许多因素的影响， 除了机械冲击外，热冲击是影响其寿命的主要因素。由于高温液态金属与压 铸模型腔表面的接触和冲刷，型腔表面温度迅速上升，模具内温度分布不均 匀，导致模具表面产生较大热应力，超过模具材料高温下的屈服强度而产生 塑性变形1 3 _ 】，周期性的温度变化使模具表面产生周期性的热膨胀、收缩及周 期性的热应力，最终导致热疲劳失效1 5 ，6j 。由于热循环应力或循环应变，最终 导致龟裂破坏的现象称为热疲劳。热疲劳是从表面开始的。实践证明铸造铝 西华大学硕士学位论文 合金时，压铸模具失效的主要原因是热疲劳、磨损及变形。此外，压铸模具 的蠕变行为也会降低模具寿命1 7 1 。 1 2 压铸模具温度场数值模拟的意义 随着汽车工业以及净终成形制造技术的发展，对压铸产品的需求增加， 压铸件的应用范围日益扩大。且产品逐渐向大型、薄壁、复杂和高精度方向 发展，高压铸造的应用范围进一步扩大。压铸模的设计任务也目益繁重在 生产中，一旦压铸模具设计、制造完成以后，就难以进行修改。 从上一节压铸模的工作状态可知道，压铸生产是一种动态的热力学过程， 在生产过程中，压铸模具经历一系列复杂的工作状况，模具表面产生周期性 的热膨胀、收缩及热应力，最终导致模具热疲劳失效【5 “，这些变化对模具的 寿命和铸件的质量都有很大的影响【8 】。 一方面，模具的温度场影响压铸件的充型和冷却条件，进而影响其成型 质量和内部组织质量。而且压铸件的表面质量与压铸过程中模具型腔的表面 温度分布密切相关，压铸件产生的疏松、冷隔、浇不足、焊合、热疲劳等缺 陷与金属液在模具型腔内的流动及表面温度的不合理分布密切相关1 4 , 8 l 。另一 方面，模具在压铸过程中，反复受急冷急热作用，模具的温度场决定了其承 受热应力的程度，以及产生变形和裂纹的倾向。因而压铸模具的温度分布是 影响压铸件质量及模具寿命的关键因素。 故采用计算机数值模拟方法，预测模具各部位的温度分布及变化规律， 可优化工艺，提高铸件质量与模具使用寿命，从而取得明显经济效益【9 , 1 0 j 。 浇注系统、压射系统、模具结构以及压铸工艺参数等对模具的温度场有 直接的影响，但目前对压铸模具温度场的研究进行的不多”1 ”。张为善等【1 5 l 运用c a d c a e 并行工程，使用p - q 2 技术研究了冷却管道的位置与数量对压铸 模具温度场的影响。d a v e y 等【1 6 1 运用边界法和有限元法研究了冷却水流量以 及压射系统对模具温度场的影响。 但这些研究都是从定性方面考虑的，故本文在此基础上用定量的方法， 进一步研究压铸工艺参数，模具冷却水管的位置、直径以及冷却水的温度对 模具温度场的影响，分析模具内的温度梯度以及模具型腔表面的升温速率， 西华大学硕士学位论文 进而优化生产，提高模具的使用寿命。 l ，3 压铸过程温度场分析的研究进展 1 3 1 压铸过程温度场模拟的研究阶段 压铸过程的数值模拟包括：充型过程数值模拟( 流场模拟) 、凝固过程数值 模拟( 热场模拟) 、热应力及残余热应力数值模拟( 应力场模拟) 以及微观模拟( 组 织模拟) 。 凝固过程温度场的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、固相率、凝 固时间等，用系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔与缩松的部位、 大小、产生的时间，以及模具在压铸过程中温度场的分布等，进而对模具进 行热应力分析，预测模具在凝固和随后冷却过程中产生的裂纹。通过这种预 测可对模具的结构以及所制定的铸造工艺方案进行修改，再通过数值模拟进 行验证。 目前，国内外在凝固过程数值模拟( 热场模拟) 方面的研究已达到了相当的 水平，且已逐步进入实用化阶段【1 7 】。其研究发展可分为3 个阶段： 基础研究阶段，着重于计算模拟； 预测研究阶段，对拟定好的工艺方案进行检查，以预测质量，并通过 模拟浇注来修改方案； 优化工艺设计，包括计算模拟、几何模拟及数据库，并使之有机结合 起来。 目前正处于第三阶段，且随着用于图形和多媒体信息处理的高性能d s p 芯片的发展，p c 机的图形处理能力近两年会有成百倍的提高，再加上三维图 形算法、图形运算和参数化建模算法的发展，快速真三维的虚拟现实技术将 会成熟。因此c a e 软件的前后处理系统将会在复杂的三维实体建模以及相关 的静态和动态图形处理技术方面有新的发展，例如复杂的三维实体建模以及 相应的自适应有限元划分，复杂的动态物理场的虚拟现实与即时提示等。 1 3 2 我国对压铸过程温度场模拟的研究 对于压铸过程温度场的数值模拟分析，我国压铸研究者在近十多年来的 研究主要体现在：改进了流场计算并提出种三维自由表面处理的方法，可 4 西华大学硕士学位论文 以进行复杂铸件的充型过程三维流场及温度场分析；模拟计算方法经过多方 面改进，显著地提高运算速度，己达到工程实用化程度；提出并实现有限差 分有限元方法集成的技术路线，解决了温度载荷转换关键技术，可以分析铸 件的温度场、应力场及残余应力。 这些研究具体反映在温度场模拟的前处理一数值计算一后处理上，其中 涉及模型建立，网格划分，计算方法的选择以及结果的显示等。 1 前置处理 根据实际物体的结构和形状建立实体模型，并自动网格划分为多面体单 元。对于形状简单的铸件，通常采用二维的方法近似地进行数值模拟就可得 到较为精确的结果。而对于结构复杂的铸件，则需三维模拟计算才能满足精 度的要求。徐宏等【1 8 】针对s t l 文件，提出了建立拓扑结构关系的方法及其快 速优化分层算法，大大提高了铸件三维有限差分网格自动划分的速度和效率。 周建兴等【1 9 】针对有限差分问题中的均匀网格技术存在的弊端提出了变网格技 术，给出了区分粗、细网格的假设与原则及其在算法上实现的流程图，并用 于了温度场数值模拟。 2 数值计算 数值计算是数值模拟的核心，通过数值计算法对热平衡方程进行解析和 缺陷的预测与判断。压铸研究者们在原有有限差分法研究的基础上，着力于 研究新的温度场数值模拟方法，以提高模拟分析的计算效率与精确性【1 2 , 2 0 - 2 6 】。 其主要的研究方向为：( 1 ) 运用分离分量法( 分数步长法) 求解三维热传导 问题；( 2 ) 运用不规则网格划分技术对模具的外部空间采用较大的网格划分， 有效地减少了分析系统的网格数；( 3 ) 采用表面分层技术，将整个热分析系统 分为稳态和瞬态两部分，分别应用不同的时间步。 3 后处理 后处理是将计算的结果经分析后通过彩色云图或二维线图等方式动态地 表示出来。如用二维方式显示模具与铸件某一断面或某点的温度一时间动态曲 线，用三维方式显示温度变化。进行压铸模具温度场的数值模拟，关键就是 为了观察和分析其计算结果，结果的可视化技术能有效地提高模拟的实用性。 尹照根等【2 7 】以华铸c a e 软件图形系统为例，研究了在均匀网格有限差分系统 西华大学硕士学位论文 中，如何应用d i b 位图和面信息缓冲等技术进行图形加速，并在此基础上实 现了图形的实时转动和动态切割。刘烨等【2 8 j 结合实际应用的具体要求，提出 了压铸模具温度场模拟后处理可视化研究方面的一些具体方法。候华等【2 9 j 利 用o p e n g l 技术，开发了凝固模拟可视化程序，有效地提高了温度场、流场模 拟过程的透明度和实时交互性及计算结果的可视化。 1 3 3 压铸模具温度场的数值模拟研究 从目前的研究现状来看，有关凝固过程的流场和温度场的研究已经成熟， 并在生产中得到了很好应用。“3 “。但有关压铸模具数值模拟的研究还不多【3 2 】。 问题之一是能否获取合适的开发软件，因为压铸的市场不大，而用于开发的投 资是很大的；问题之二是在开发工作中缺乏一种压铸技术的能力 3 3 1 。 压铸研究者在研究压铸模具温度场分布的基础上，进行了一系列的合理假 设，提出了适合于压铸模具温度场及热应力场数值模拟的数学模型。美国 m i c h i g a n 大学和g e o r g i a 工学院等开发了总体设计分析系统，可模拟金属 液充填压铸模过程，并以颜色变化显示与传热有关的金属液流动。张卫善等【3 4 j 采用紊流两相流模型描述压铸的充填过程，用计算机并行计算方法进行了压铸 充型过程流场的数值模拟，通过窜行程序的算行化，实现了在微机并行系统上 的流场模拟计算，从而大大加快了计算速度。吴亮等固j 应用分数步长法进行了 压铸过程温度场数值模拟的研究。意大：； l j p i s a 大学开发的p r e h e a t 软件可用二维 数值模拟方法求得压铸模具的温度分布。德 m u l l e r pw e i n g a r t e n 机械厂开发的 有限元计算程序，可确定压铸模型腔的等温线分布【3 5 , 3 6 。英国m a h c h e s t e r 大学 用边界元法模拟压铸过程，计算了压模型腔的温度分布，认为只有型腔表面温 度对铸件质量有影响，而与其他位置温度分布无关。澳大利亚国家科学及工业 研究组织c s i r o 经过十五年的研究开发了用于压铸的两个软件包c a s t f l o w 和c a s n 正r m ，以及计算机辅助过程监控系统c a s t p u l s e 。c a s t f l o w 主要 用于变截面浇道设计及其流动特性的分析，通过所计算的速度矢量分布进行显 示，以确保用户所设计的浇道达到希望的流向与流速。此外，c a s t f l o w 还能 计算出所需流动时间，金属液温度以及每个充填区域的固相率。c a s t f l o w 主 要用于压铸模任意二维截面温度场分布的计算。d m tc a s n 也r m 利用热节的 方法对具有三维特性的参数进行处理。具有大多数压铸条件下所需的信息，能 西华大学硕士学位论文 很快预测模具表面温度分布。加拿大国家研究院将压铸生产计算机模拟技术虚 爱予艇决舄工翌零 孛镑逶鸯关筑蘧瑟设诗与副造 孀蘧，繇开发瓣较棼雹可颈浏 铸造缩松，缩孔，微观组织，残余威力及变形，同时包括材料霹和专家系统。 此软件包鼹由基于u n i x 系统平台的o s f m o t i f 圈形界面上的一系列集成的模 块组成。 赣玉赛1 3 7 】等对压锩模系统传热过程韵计算送行了合理的简化，在考虑美铸 模材料热性能随温度变化的情况下，建立了压铸模温度的数学模型，开发了相 应的有限元分析程序。 在摸爨设诗除段，程瘸抉速可溪纯摸蘩金j | 嚣滚充型过程，哥虢调整设诗， 降低成本及消除充填缺陷。s h i n j is a n a k a n i s h 和k a z u m if u j i t a 用f d m 模拟了压铸生产条件下金属液的流动及分布，优化了一型生产多铸件的浇注系 绞。 压铸生产中，为了保证铸件鲍艇量积生产率，要求压铸模鹣热量维持一个 动态平衡，即模具吸收的热量等于散发的热量【3 8 】。对于小型简单的压铸件，压 铸模温度在相当大的范围内波动仍能生产出合格的铸件，而对于大型复杂的压 铸学，毯镑模滠废对铸谗酌敏感往裁缝高校多。爨暖竣计久爨在筷兵浚诗时嚣 要考虑厦铸模的熟平衡。目前推出了许多实际使阁的热平衡分析软件，如英图 的b n f c s m o ，印度的d h c a l ，澳大利亚的d m 卜c a s t e r m 。 1 4 压铸模其温度场模拟研究发展方向 多阶段模拟。服铸生产是多阶段、周期性的生产过程，在压铸过程中， 模具的温度随时间变化。要使模拟熨接近实际过程，模具温度场模拟不但包括 攘具充续过程，蓬零 孛的不同，这个过覆可麓楚个稳当复杂豹任务，纛显逶 包括了凝固过程以及模具回火的模拟等多阶段的模拟。 多循环模拟。压铸生产中，压铸模内的温度场需经多次循环才能达到所 谓鲍“礁乎餐态”。农憩状态下，壤具湿度场斡变化基本趋予平簿。这一个乎 衡点的濑发对稳定生产是很重要，铸造质量和生产率在很大程度上取决于模具 热控制能力。对模具邀行多循环热平衡模拟计算和分析，确定模具的温度分布 和温度变化规律，确定模具热集中的区域，进而确定冷却水管的位置和数鬣。 西华大学硕士学位论文 压室压射过程模拟。压铸模具温度场模拟还应包括压室压射过程的数 值模拟，压射系统等对压铸过程中的温度分布也有重要的影响，进而影响铸 件的质量与模具的寿命。 压射多相流模拟。如对流体波形形态的模拟有助于确定合理的压铸机 参数。 1 5 铸造过程数值模拟软件的发展 自从1 9 8 9 年，由德国a a c h e n 大学s a h m 教授主持开发了世界上第个铸造 c a d c a e 商品化软件m a g m a 软件系统以来，各国相继开展了对铸造c a d c a e 商品化软件的开发，功能较强大的软件主要有德国的m a g m a 、法国的s i m u l o r 、 日本的s o l d i a 、美国的p r o c a s t 等。自9 0 年代以来，铸造c a d c a e 商品化软件 的功能逐渐增加，除了具备铸件凝固过程的温度场数值模拟功能以外，各软件 都增加了三维流场的分析功能，大大提高了模拟分析的精度。铸件三维应力场 的问题较复杂，算法难度也大，一般难以在微机上实现。目前，德国的m a g m a 软件等都己具备三维应力场的分析功能。 经过1 0 多年的努力，目前国内外比较成熟的商品化软件都己在以下几方面 取得了重要突破： 有功能强大的前置处理，包括三维造型及网格剖分模块，并有丰富的三 维彩色图形动态显示作为后处理： 硬件及软件费用大幅度下降到铸造工厂能够接受的水平； 计算机操作系统及软件对用户友好，一般铸造工程技术人员稍加培训就 可独立操作运行。 目前，国外铸造c a d c a e 商品化软件的发展趋势是一方面向低压铸造、压 力铸造、熔模铸造等特种铸造方面发展，另外一方面又从宏观模拟向微观模拟 发展。微观模拟是一个较新的研究领域，通过计算机模拟来预测铸件微观组织 的形成，进而预测铸件的力学性能和工艺性能，最终控制铸件的质量。但迄今 为止通用性较强的商业化软件包仍较缺乏，对进一步推动此项研究的广泛与深 入开展十分不利。 磋华大学硕士学位论文 1 6 本文主要研究内容、目的及研究途径 1 6 1 主要研究内容 研究内容： 1 建立压铸模具温度场数学模型 2 压铸模具温度场c a e 分析 3 压铸工艺参数与模具结构的优化与分析 即以铸造过程中模具的温度场数值模拟为研究对象，采用有限单元法， 利用c a d 和c a e 技术，将铸件和压铸模具的温度场，以三维形式真实直观地 展现出来，进而分析工艺条件和模具结构对压铸模具温度场的影响。 本实验主要针对铝制压铸件汽车轮毂，运用有限元分析软件p r o c a s t 对 其压铸模进行了压铸过程热分析，运用对比的方法定量地研究了浇注温度、 模具预热温度、冷却水的温度、冷却水管的直径及其位置对模具温度场的影 响。 1 6 2 研究目的 运用有限元法对压铸过程中模具的温度场分布及其变化进行分析，以期 分析工艺条件和模具结构对压铸模具温度场的影响，以得到较好的生产工艺 方案，对生产提出建设性的意见，从而提高铸件的质量与模具的使用寿命。 1 6 3 研究途径 在商品化有限元铸造过程分析软件p r o c a s t 以及三维造型p r o e 软件平台 上，选用典型压铸模进行压铸过程温度场c a e 分析。其具体步骤为： 对温度场数值模拟的基本原理进行全面分析，掌握有限单元法求解的特 点与过程，应用p r o c a s t 对压铸模温度场进行模拟，以便获得可靠的模拟结果。 采用c a d 禾i c a e ，选取适当的热物性参数与传热系数建立数学模型，对具 体的轮毂铸件压铸模具进行温度场模拟分析。 采用不同的工艺参数，进行压铸过程温度场分析，运用获得的温度场模 拟结果，分析压铸工艺条件对压铸模具温度场的影响。 针对不同情况的冷却条件，进行压铸过程温度场分析，运用获得的温度 场模拟结果，分析模具结构对压铸模具温度场的影响。 西华大学硕士学位论文 2 传热计算基础 对铸造过程温度场进行数值模拟，实际上就是“铸件一铸型一环境”之 间的不稳定热交换过程。本章将阐述传热学基础及导热方程的有限元解法， 它是压铸过程温度场数值模拟的必要基础。 2 1 热传递的基本方式 热传递有三种基本方式，即热传导( 导热) 、热对流和热辐射。在这三种 基本方式中，热量传递的物理本质是不同的。 2 1 1 热传导 热传导是物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电 子等微观粒子的热运动进行的热量传递。热传导理论是研究物体内部或物体 之间存在温差时，物体内部的温度随时间变化的规律。物体的热传导满足傅 立叶定律： t下 q = 一 ( 二2 = 量) a f ( 2 一l 1 ) l 其中：q 一传导热量 ( l 一正) 一温度差； l 一温差距离； a 一传热面积； t 一传热时间； 一热导率 用微分表示为： d q ：一z d t d a d z ( 2 1 2 ) d l 故单位面积、单位时间内所传递的热量： d q ：一a 塑 ( 2 1 3 ) d l 2 1 2 热对流 热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。它是 1 0 西华大学硕士学位论文 利用不同温度的质点密度不同来传热，在液体受热密度变小而上浮的同时， 冷的流体就会流过来补充，这样一个周而复始流动过程，即所谓对流。 研究对流传热时，主要以牛顿定律为依据，即传热流体的温度为t ，放置 在温度为t o 的流体中，传热面积为a ，经过时间t ，则对流传热为： q c = ac ( t - t o ) at( 2 一卜4 ) 式中 nc 一对流传热系数。 影响nc 的因素很多，它是一个复杂的函数： qc = f ( t ，t o ，v ， ，c ， p ，p - 中，) t 放热流体( 或固体) 的温度： t o 一受热流体( 或固体) 的温度： v 流体流动速度： 入流体的导热率： c 。r 一流体的比热容： p 一流体的密度： u 一流体的粘度： 巾一放热表面形状系数。 由上述可知，热对流传热要比热传导传热复杂的多。另外，对流传质的 介质虽然只是流体，但传热之间的物体，可以固、液、气同时存在，这样就 增加了研究对流传热的复杂性，并伴随有传导，辐射存在。 2 i 3 热辐射 物体对外发射电磁波的过程叫做辐射，电磁波载运的能量叫做辐射能。 电磁波在空间传播过程中，一旦遇到另一物体，电磁波所载运的辐射能有一 部分被该物体吸收，引起该物体内部电子的谐振运动，就转变为该物体内微 观粒子运动的动能，即所谓热能。因此，当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。此外，在传热形式上，热辐射和对流与 导热的不同在于它是一种非接触式传热，即不需要通过固体或流体介质来传 递热量。 辐射能q 投射到物体表面时，其中一部分能量q 被吸收，一部分能量q s 被反射，还可能有一部分能量q p 透过。只要绝对温度高于绝对零度，任何物 西华大学硕士学位论文 体都随时向周围空间辐射能量。每单位时间物体单位表面积发射的一切波长 射线所携带的总能量即为该物体的辐射密度或辐射力，用e 表示。辐射力e 可以用绝对黑体在相同温度下的辐射力e 。作为比较标准，引进。称为 物体的黑度。处理辐射换热的数学方法是斯蒂芬一玻耳兹曼定律： e = 盯o t 4 其中，口。为斯蒂芬一玻耳兹曼常数或绝对黑体的辐射常数，直接测定值 为5 7 6 1 0 。8