铸造过程数值模拟的研究现状及最新发展.docx

山西省第二十六次铸造会议论文集铸造过程数值模拟的研究现状及最新发展王冠乾1，牛晓峰1，张金山1，侯华2 (1太原理工大学，材料科学与工程学院，太原030024； 2。中北大学，材料科学与工程学院，太原030051)摘要：铸造过程数值模拟已经深入到铸件成形过程的各个方面，成为获得优质铸件的关键技 术。铸造过程数值模拟将计算流体力学、计算传热传质学和计算机可视化技术应用于铸造工艺设计， 可以使铸造技术人员更清楚地了解铸件形成过程，快捷地确定较为合理的铸造工艺参数。本文对铸 造充型和凝固过程数值模拟的发展现状进行了综合评述，并对两种粒子法在铸造数值模拟的应用进 行了阐述。关键词：铸造；充型；凝固；数值模拟；粒子法1引言铸造是将高温液态金属浇注到封闭的型腔中，获得所需铸件的复杂热成形过程。铸造过程计算 机数值模拟技术是利用数值分析技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动及凝固理论对 铸件成形过程进行仿真以模拟出铸件充型和凝固及冷却中的各种物理场，并据此对铸件进行质量预 报的技术。在计算机屏幕上显示出铸造全过程，预测铸造缺陷，这就使得铸造工艺人员能够根据所 存在的问题及时修改方案，从而获得合格铸件，不必实际铸造即可判定该工艺的优劣。通过模拟计 算，可以对铸件充型和凝固过程中的任一时刻、任一部位进行局部或整体性的透视观察，为铸造工 艺的制定提供较为可靠的依据，对铸造结果和缺陷基本可以做到“未铸先知”和“防患于未然”，还可 以自动评定工艺水平，通过计算机对铸造过程模拟，铸造工艺人员可以事先制定出较为合理的工艺， 省掉了传统的“编工艺一制模造型一试浇试铸一解剖铸件一修改工艺”的过程，将质量隐患消灭于 浇注之前，再投入生产，大大缩短工艺试验周期、确保铸件质量、提高工艺出品率、降低生产成本 和废品损失，对企业有极高的实用价值15。2充型和凝固过程模拟的发展概况 从上世纪五十年代，人们开始研究铸造过程的数值模拟。丹麦forsund开始了铸件凝固过程的模拟之后，许多工业发达的国家如美国、德国、日本和法国等国家的冶金和铸造研究人员都相继开 展了凝固过程的计算机模拟，取得了显著的进步。第50届国际铸造会议专题讨论了铸件凝固数值模 拟，并在此基础上提出了铸造工艺cad的概念。美国匹兹堡大学的rastoehr和wshwang首 先将二维流体流动计算软件mac用于铸件充型过程的研究，模拟了液态金属流人矩形水平型腔和 阶梯式垂直型腔的充型过程。在丹麦科技大学的中国访问学者王君卿将二维solavof发展成三 维计算程序，并加入三维传热计算，模拟了一个铸铁三通管的三维充型凝固过程，与实验取得了基102山西省第二十六次铸造会议论文集本一致的结果。匹兹堡大学的cmwang将solavof软件加以改进，计算了一个三爪滑轮的二 维充型过程，计算结果与高速摄影实验结果基本一致。rastoehr进行了流动与传热的耦合计算， w shwang模拟了试样三维充型凝固过程，并在水力模拟实验验证和压力迭代不收敛问题的处理上 作了较多的工作。日本东北大学的安斋浩一等人采用三维smac方法解析了压铸件的充填过程，预 测了铝合金压铸件的冷隔缺陷，并与水力模拟实验对比，验证了充填过程数值模拟结果。美国的shea chen等人改进了二维的smac算法，使其在流体流动计算结果的对称i生及流股交汇面的处理上有 较大发展。在美国召开的第六届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，日本东北大学的新山英辅和安斋浩一提出了一种自适应压力迭代法，解决了sola算法压力迭代不易收敛的问题；比利时wtcm 铸造中心的zaxu和e mampaey模拟了球墨铸铁件的充型凝固过程，并对vof法作了适当改进。 在英国召开的第七届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，英国伯明翰大学的bsirrell等人公布了其 标准试验结果，结果表明，大部分计算的充填状态随时问的变化与实验结果接近，可以预报卷入气 孔缺陷的形成，但无法计算气体在金属液内的变化过程，铸件温度场变化趋势及最后凝固部位的预 报较为准确，但对铸件内测温点的具体凝固时间的预报不十分准确。在美国圣地亚哥召开的第八届 铸造、焊接和先进凝固过程模拟会议上美国流体科学公司的cw hirt等人阐述了用于消失模铸造的 三维计算模型和计算方法，并将lf模型和缺陷预测模型加入到商业化软件flow-3d中，较成功地 用在了汽车铸件上。伯明翰大学的mrjolly等人对传统方法设计的灰铸铁凸轮轴的浇注系统进行 了研究，认为铸件内的气孔和夹杂主要是由于浇注系统内流体的过分湍流造成的，文中用x射线数 据和两个软件包mag masoft和flow3d对上述问题进行研究，两种模拟软件的模拟结果基本上给 出了一个合理的液态金属充填型腔过程。在台湾高雄召开的环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际 会议上，中国台湾文瑞哲等介绍了开发的离心铸造充型过程计算机模拟系统，模拟结果显示，最佳 充型模式是在横浇道与组合铸件问倾斜角为20，且内浇口与铸件垂直时的情况下。日本kashlwai shigeo等进行真空吸铸充型过程数值模拟，为估计数值模拟结果准确度，对铝合金ac4c铸件充型 过程进行x射线实验观察，模拟结果显示，吸铸压力和减压速率对充型影响明显。中国陈立亮等开 展了铸造过程复杂多相流动模拟研究，在有限差分技术基础上用ipsa数学模型解出多相流体中各相 的行为。韩国hong jtmho等进行了高压压铸过程的多相模拟发现solavof法在观察宏观充型 的顺序上很有效，且能显示准确界面，而且比pilc法模拟计算时间短。韩国洪俊杓等开发了适于薄壁和曲面形状铸件充型模拟的适体坐标系统。日本sakuragi takaya基于高精度算法，开发了带 有表面张力的充型模拟算法，提出一种模式，可考虑表面张力充型模拟。韩国黄皓瑛等将水力模拟 结果与采用zcast软件数值模拟铸件比较，两种模拟结果，都瞬闻可视。结果显示，低速充型时， 两种模拟数据吻合一致。中速充型时，初始阶段，喷射引起的卷气和湍流被水力模拟观察到，但这种现象在数值模拟中也显示出来，随水位升高和超过浇注系统水柱重量增加，水流变得不稳，但数 值模拟和水力模拟结果相近。高速充型时，水喷射效果控制整个充型期间，始水流分成大量气泡， 空气泡和水泡同时充满整个型腔15，7。山西省第二十六次铸造会议论文集3铸造过程数值模拟软件的应用和优缺点31铸造过程数值模拟软件及功能介绍表1常见的铸造模拟软件软件名称研发商功能简介有限元软件，可模拟铸造过程中温度场、流场、应力场，可模拟充型procast法国esi公司过程和凝固微观组织结构、应力分析、电磁场等，软件提供了数据库、自动网格抛分和复杂的可视化工具，适用于各种铸造工艺设计。afs solidification三维有限差分程序，可模拟铸件的凝固过程，预测缩空和热节以及缩finite solutions公司system松等，可进行铸造工艺优化设计。pamcastsim法国aluminum可模拟铸件充型和凝固过程，并能预测缩孔和疏松。ulorpechiney以有限差分和有限元为基础的三维流体流动和热传导模拟软件包。可magama德国aachen大学进行充型凝固过程模拟，预测缩孔、缩松等缺陷，能快速模拟复杂铸soft件。主要功能有前处理、充型凝固过程模拟、后处理及热物性数据库。预韩国生产技术研究院zcast测缩孔、缩松等缺陷，能快速模拟复杂铸件。soldiaet本小松制作所有限差分软件，可以模拟充型、传热等过程，并继承了niyama判据。可以完成多种合金材质、多种铸造方法下铸件的凝固分析、流动分析华铸华中科技大学以及流动和传热耦合计算分析，计算分析预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向。用实验研究及数值模拟计算相结合的方法研究铸件缩孔缩松形成规律ft-star清华大学及定量预测缩孔缩松方法，用流场及温度场分析方法研究铸件充型过程，建立铸件三维充型凝固过程模拟分析系统。上述软件在欧美等发达国家铸造企业中获得了较广泛的应用，取得了很好的经济效益，部分软 件已进人中国大型企业和科研院所，如magma soft、proeast、novacast等。目前，已有 众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。4铸造过程数值模拟的研究最新发展41铸造数值模拟的最新研究发展 近几年以来，科研人员主要专注于以下几个方面的研究(1)复杂多相流模拟：铸造过程的流动实际上就是典型的多相流动，不仅仅只有液相，还包括气相和固相。从理论上讲，欲准确模拟铸 造的充型过程，就必须研究多相的流动。复杂流动是指真实的铸造流动是具有紊流、相变、热交换 等众多影响因素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果将更接近真实的铸造过程。(2)造型、 制芯过程模拟：造型、制芯过程的模拟是近些年来，铸造数值模拟领域的新方向，虽然时间不长， 但已取得了很大的进步。(3)半固态铸造模拟：半固态铸造是目前铸造工作者研究的热点，同样也 是铸造数值模拟领域的热点。利用非牛顿触变流体模型可以模拟包括镁、铝合金的半固态铸造。(4) 微观数值模拟：九十年代以来铸造微观数值模拟成为人们关注的对象，是数值模拟领域研究的前沿，山西省第二十六次铸造会议论文集一些模拟方法，包括蒙特卡罗法、自动元胞机法以及相场法等。但应该说目前微观数值模拟技术还 处于理论研究阶段，离实际应用还有很长的路要走15。 42基于pma粒子法的铸造数值模拟的最新研究发展基于pma粒子法的铸造数值模拟采用了非线性的解析技术，即分子动力学粒子法理论，将粒子 法引入到铸造数值模拟过程中。粒子法是把一个连续体看作是粒子的集合体，对组成一个连续体的 粒子进行离散化分析，根据粒子间相互作用力原理，计算每个粒子的运动。在本项目开发中所采用 的粒子间相互作用的定义是把分子动力学所主张的的原子间电势能的设想作为理论基础，即粒子间 造成粒子间距离的排斥力与引力形成粒子势能场，定义着材料的特性，粒子法克服了有限元网格法 不能准确的描述模拟大变形的缺点。太原理工大学铸造过程凝固模拟研究中心目前已经开始从事pma粒子法在铸造数值模拟的研 究。基于pma粒子法的铸造数值模拟从根本上解决既有的有限元分析法在大变流动分析中所存在的 所有局限性的途径和方法，能够把连续体以粒子群的形式进行表现，通过对其相互关系解析关系的 不断推进可以随时进行改写的技术方法，把粒子作为有限要素的接点，使得进行几何学解析成为可 能，也可以近似地构建形状如分子的物理构造模型，还可以直接对物理现象进行模拟，也使得构建 更加复杂的高水平的解析模型成为可能。pma粒子法可以形象的展示铸造过程的各种场变化，更具 有真实性，采用更接近变形对象物理特性的计算结果揭示其变形时的能量转化，理论上模拟过程和 结果更加接近现实。在处理大变形复杂结构时有独特的优势，使得分析精度能够提高。 43基于sph粒子法的铸造数值模拟的最新研究发展光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics，sph)方法是无网格法中产生最早， 发展也最成熟的计算方法之一。该方法通过基于纯拉格朗日描述的一系列粒子离散求解域，各个粒 子上承载各种物理量，包括质量、速度等，通过求解粒子的动力学方程和跟踪每个粒子的运动轨道， 求得整个系统的力学行为。粒子和粒子之间通过核函数建立相互作用。从原理上说，只要粒子的数 目足够多，就能精确地描述力学过程。虽然在sph方法中，解的精度也依赖于质点的排列，但它对 点阵排列的要求远远低于网格的要求。由于粒子之间不存在网格关系，因此它可避免极度大变形时 网格扭曲而造成的精度破坏等问题，并且也能较为方便的处理不同介质的交界面。在充型计算方面，sph的优点在于它是一种纯lagrange方法，对于自由表面的追踪可以通过粒子本身的位置确定，能 避免euler描述中欧拉网格与材料的界面问题，因此特别适合于求解自由表面、运动物质交界面以 及高速碰撞等动态大变形问题6-9 osph方法通过基于纯拉格朗日描述的一系列粒子离散求解域，粒子和粒子之间通过核函数建立 相互作用，从而彻底取代了网格，并且由于sph算法的纯拉格朗日特性，对于自由表面的追踪可以 通过粒子本身的位置确定，因此sph方法在铸造充型过程模拟中具有一定优势。近十年来，sph方 法在求解流场问题中的优势逐渐被人们认识，并得到了较大发展。monaghan、morris等研究了准不 可压缩流、重力流、多相流等一系列问题，monaghan还给出了求解ns方程的对称化公式，使 sph求解流动问题的精度和速度都有所提升。moussa与vila等研究了采用sph求解可压缩欧拉105山西省第二十六次铸造会议论文集方程的收敛特性，并对sph方法求解不连续问题中所存在的弱点进行了介绍。l ibersky等将sph 方法推广到求解固体力学问题中，并首先采用sph方法求解了三维薄壁容器爆破问题。随着研究的 深入进行，sph方法中存在的一些问题也逐渐被人们认识到。swegle等首次提出了sph方法中存在 的张力不稳定问题，他认为这种不稳定不是由时间积分所引起，而是由于核函数的空间分布与守恒 方程中的张力相互影响所造成。sph方法的弱点还在于计算效率低、固壁边界施加不方便等。为此， 许多研究针对sph方法的这些缺点展开研究工作。太原理工大学铸造过程凝固模拟研究中心目前正在进行基于sph粒子法的铸造数值模拟方面的研究，开发一些关于sph粒子法的基本程序，为l渺模拟软件的构建打下了基础。4结语铸造过程的数值模拟技术经过几十年的研究和开发，虽然基于有限差分、有限元法的铸造模拟 软件已经相当成熟，但是还是有很多问题有待解决，基于粒子法的铸造数值模拟的研究越来越多的 受到科研人员的关注。太原理工大学铸造过程凝固模拟研究中心一方面对已有