凝固模拟论文.doc

铸件充型凝固过程数值模拟及国内外研究进展 铸造过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路，是当今世界各国家专家学者关注的热点。铸件充型凝固过程的 帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品试制周期，降低生产成本，确保铸件质量，已成为铸造领域最热门的研究课题之一。1 概述欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件力学性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验方法。2 数学模型熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。3实体造型和网格剖分欲进行三维充型凝固过程数值模拟，首先需要铸件和铸型的几何信息，具体地说是要根据二维零件图和铸造工艺图形成三维铸件铸型实体，然后再对实体进行三维网格划分以得到计算所需的网格单元几何信息。利用市场上成熟的造型软件（如UG，ProE, Solid-Edge, AutoCAD等）进行铸件铸型实体造型，然后读取实体造型后产生的几何信息文件（如STL文件），编制程序对实体造型铸件铸型进行自动划分，这种方法可以大大缩短几何条件准备时间。剖分后的网格信息包括单元尺寸和单元材质标识。4数值模拟方法目前见诸于文献的充型凝固过程数值模拟方法主要为有限元法，直接差分法，控制容积法(又称有限体积法)和有限差分法。由于计算方法方面的原因，有限元法长期以来在流体力学领域中应用并不广泛，但近年来很多专家致力于这方面的研究，并出现了商品化软件，如美国的PROCAST；直接差分法综合了有限元法拟合边界形状真实和有限差分法计算简便的优点，在日本获得了广泛应用，但与有限差分法相比，其计算占用内存过大，计算速度较慢；控制容积法和有限差分法是采用较多的铸件充型凝固过程数值模拟方法，根据对N-S方程处理方法的不同，又分为涡量流函数法、原始变量法和分步法。涡量流函数法以流函数、涡量为待求变量，避免了求解压力项，可以不采用交错网格，也不必设计类似于SIMPLE的算法，程序设计比原始变量法简单，但其缺点是对壁上涡量的确定具有一定任意性，随着计算的进行易引起壁上涡量值迭代发散。早期的SMAC采用了这一算法。MAC属于有限差分法中的原始变量法，由于采用隐式格式，迭代次数较多，并设置了大量示踪粒子跟踪自由表面，增加了存储量，因此计算效率较低；SIMPLE及其改进算法SIMPLER和SIMPLEC等属于控制容积法中的原始变量法，近二三十年来广泛用于计算流体力学领域，且较成功地用于湍流流动计算，算法本身用于定域计算，对于充型过程模拟，还必须结合自由表面处理方法。目前国内外在充型过程计算中普遍采用的SOLA-VOF软件对动量方程的处理方法类似于有限差分法中的分步法。分步法的突出优点是将复杂的偏微分方程逐项分裂为简单的偏微分方程甚至常微分方程，对分裂所得的简单方程可分别选取最适宜的方法求解，编程较原始变量法简单，压力迭代收敛也铰快126铸件充型凝固过程数值模拟技术的最新发展6.1进一步提高温度场模拟计算的精度和效率目前一般的砂型铸造和压铸等铸造过程，凝固过程的温度场的计算已经成熟，但在计算精度和效率方面仍在深入研究中，更多的是在应用温度场的计算来进行优化工艺设计。中国清华大学的董怀宇等，为提高模拟过程的效率, 对计算的时间步长进行研究， 提出了铸件单元在凝固期间, 从液相线到固相线的时间跨度概念, 建立了时间步长优化模型。根据凝固进程的发展，同样数量的剖分单元经历液相线到固相线的时间跨度将会不断增长的事实，将不断选取更大的时间步长，来提高计算效率。对一个实际的铸件用均匀的时间步长和动态优化的时间步长进行了模拟比较, 模拟的温度场和预测的缩孔缺陷在两种情况下是一致的，即模拟精度一样。采用动态时间步长优化法能适当地增大凝固模拟的时间步长, 减少计算次数，缩短整个铸件模拟计算时间，提高了模拟计算效率。6.2充型过程三维速度场和温度场的模拟技术已经成熟正向深度和广度发展1995年，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B. Sirrell等公布了标准试验（The Benchmark Test）结果 。试验合金选择纯铝，铸型材料选择树脂砂，直浇道被设计的较高，人为地造成了一种湍流充填效果，用X射线摄像技术记录金属液充填铸型时的状态变化。有9个研究小组在未知试验结果的前提下对试件的充型过程模拟计算，验证各自软件的精确性。结果表明，大部分计算的充填状态随时间的变化与试验结果接近，可预报卷气孔缺陷形成，铸件充型过程中温度场的变化趋势及最后凝固部位预报较为准确，反映了速度场计算已趋成熟。德, 美, 日, 瑞典和中国等国家都开发出速度场和温度场计算软件。在此基础上, 向深度和广度发展。在第六届环太平洋模拟铸造和凝固国际（MCSP6-2004）会议上, 中国台湾文瑞哲等人开发了离心铸造充型过程计算机模拟系统。该系统与先前开发的二个模块合成，一个模块用在组合铸件中任一位置的离心力的计算，另一个模块是离心力在动量方程中的应用。该模拟系统在有29个叶片透平园盘铸件的离心铸造上试用，分析充型过程中熔融高温合金流体流动现象，且离心铸造和精密铸造结合进行。该模拟系统用来优化工艺设计，模拟结果显示,最佳的充型模式是横浇道与组合铸件间倾斜角度为20度，且内浇口与铸件垂直。日本SAKURAGI Takaya开发了带有表面张力的充型模拟算法。提出一种可考虑表面张力的充型模拟。建议的算法是以连续表面张力模型为基础的, 既将表面张力作为体积力来计算。将这一算法应用到压铸过程模拟, 模拟气孔尺寸和位置, 模拟的结果与实验数据比较显示, 带有和不带有表面张力的数值模拟, 均指出了气孔的存在, 但没有表面张力的模拟结果, 低估了气孔的尺寸。因而考虑表面张力对于预测气孔的尺寸和位置是很重要。并提出了保留在型腔中的气体是被压缩或膨胀的判据, 将它用于解决压铸实际问题。6.3 铸件凝固过程中微观组织模拟和力学性能的预测成为数值模拟技术发展的重点铸件力学性能的优劣取决于铸件在凝固期间形成的微观组织，有效地控制微观组织的形成过程，使铸件获得优良的力学性能，是铸造工作者追求的共同目标。但真正开展微观组织形成过程计算机数值模拟研究工作，还是在20世纪80年代后期，在铸件凝固过程宏观温度场、浓度场、速度场数值模拟技术得到很好发展的基础上，铸件微观组织数值模拟研究才进入了一个新的研究高潮。微观组织数值模拟的方法大体上分为3种方法：以描述枝晶生长的第1类模型称为确定性方法（Deterministic Method）, 与此相对比的是概率方法（Stochastic Method）,以及直接微观组织模拟方法相场方法（Phase Field Method）。中国山东大学王卫民等用蒙特卡罗方法(Monte-Carlo)对二元合金定向凝固中层状共晶的动态演变进行细致研究。在模拟晶粒的长大中主要考虑是熔融金属中大量的B元素群体。结果可归结为4个方面: B群体对共晶模式和层间间距的影响。 不同情况下共晶模式变化与液固界面前沿的浓度波动有关。 高过冷度时B群体的初始方向对共晶模式转变无明显影响。 模拟结果和实验结果较吻合。中国金属研究所郭大勇等用元胞自动机法，数值模拟多组元合金熔体枝晶生长。建立相关数学模型，对每一相溶质方程单独求解，而后与固液界面组元分配系数连接。界面速度由界面边界条件确定。液相溶质守恒方程考虑了熔融金属流动的影响，而金属流动由动量方程求解，并采用SIMPLE算法来解速度和压力。对Fe-C-Si合金进行了二维等轴枝晶生长模拟。发现金属流动时，由于枝晶尖端有非对称溶质分布，产生非对称生长。非对称性随时间不断增长。还进行了初始入口速度对非对称形貌的影响的研究。入口速度越大，在下流方向枝晶臂越短。当入口速度大到一定程度，下流处枝晶臂会被完全抑制而不生长。加拿大哥伦比亚大学朱锦东等进行了数值模拟A356铝合金铸件的微孔隙的研究。开发了一个用于预测微孔隙形成的数学模型，在该模型中考虑了氢在固相和液相中再分配，糊状区中的达西流动和共晶对渗透性的影响。为模拟氢孔隙生核和长大，假定孔隙半径是二次枝晶臂间距的函数，而且是在平衡态氢于孔隙、固相和液相之间活动的条件下，进行孔隙的长大。该模型是在商业软件包ABAQUS计算热场的辅助下执行，并应用在一个圆柱形实验铸件上。模拟的结果与实验的结果对比，吻合良好。中国南昌航空大学龙文元等用相场法与CALPHAD法联合预测二元枝晶生长。开发一种用于二元合金凝固的二维相场模型。用相场法模拟了Al-Cu二元合金的非等温凝固枝晶生长过程。溶质扩散方程和热传导方程同时求解, 热力学和动力学数据从现存的数据库用CALPHAD方法(计算相图法)得到，进而研究了潜热和过冷度对二元合金凝固中的枝晶生长、溶质和温度分布的影响。结果显示, 枝晶生长形貌可用相场法和CALPHAD法联合模拟，而逼真显示出来。二次臂的生长能用浓度扰动来模拟。