铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展61

发布时间：2016-12-15 14:40

本文关键词：铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展，由笔耕文化传播整理发布。

第27卷第1期；2006年2月河南科技大学学报:自然科学版；JournalofHenanUniversity；文章编号:1672-6871(2006)01-0；铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展；曹洪吉,宋延沛,王文焱；(河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471；摘要:概述了计算机技术在铸造过程模拟中的产生、发；中图分类号:TG24;TP391.77

第27卷第1期

2006年　2月河南科技大学学报:自然科学版

JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceVol.27No.1Feb.2006

文章编号:1672-6871(2006)01-0005-04

铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展

曹洪吉,宋延沛,王文焱

(河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003)

摘要:概述了计算机技术在铸造过程模拟中的产生、发展和研究应用现状。介绍了一些常用的充型和凝固过程数值模拟软件,对国内相关模拟软件的开发、选择提供参考,,指出铸造过程模拟软件需要完善模型,优化算法,;测和解决铸件缺陷;在网络环境下,将设计、模拟、制造、。关键词:铸造过程;计算机模拟;发展现状

中图分类号:TG24;TP391.770　前言

,但是直到20世纪80年代,才开始实现模拟软件、计算机硬件和人力资源的完美结合,工业上以计算机为基础的模拟才开始普遍应用。目前,计算机模拟已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具,并在某些方面已经进入工业化应用阶段,成为铸造行业发展不可缺少的环节。

1　计算机技术应用于铸造过程模拟的发展

最早用于铸造过程模拟的是美国哥伦比亚大学的“HeatandMassFlowAnalyzer”分析单元,基于此分析单元VictorPaschkis于1944年在砂模上做了热传导分析,其很多研究成果发表在AFS公报上[1]。1954年,Sarjant和Slack计算了铸铁块内部温度分布,并使用数值方法计算了瞬时二维热流模型。

1962年丹麦的Fursund研究热在砂模中传导对钢铸件表面影响的论文是铸造行业首次发表计算机模拟的文献[1]。1959年GeneralElectric(GE)公司的Campbell、VillenWeider等研究了应用有限差分法(FDM)模拟生产大型厚铸件制品,在1965年发展了可预测的凝固模型。但FDM法无法追踪金属充型时的自由表面,所以在20世纪80年代早期,一种被称为流动体积法(VolumeofFlow;VOF)由Hirt和Nicholas引入,把流动体积函数作为主要参数,用来追踪流动自由表面[2]。

有限元法(FEM)最初是用来解决结构复杂应力分析问题的,但在20世纪60年代,有人开始应用FEM法解决稳态和瞬态热传导问题。其中AFS传热委员会发起并提出了鼓励更深入开展此项研究的计划,密歇根大学的研究人员发表了一些重要的文献;RoberPehlke和JamesWilkes模拟了砂型铸造过程,浇注了包括碳钢、铝和含铅的黄铜合金等各种材料,结果表明,FDM法很大程度上受浇注介质热物理参数的影响[1]。

1973年挪威的VictorDavies等人在浇注铝制品时,将FDM法应用于砂型铸造、金属型铸造和低压铸造。1974年LosAlamos科学实验室开发了计算机生成的颜色移动图片技术,这种技术使用标准的缩微胶卷拍摄装置,通过对一系列光过滤器设置的控制程序,利用11种复合颜色描述不同温度范围,最终产生条状或斑点状图像,实现了凝固模拟技术铸型剖面的可视化[1]。

从20世纪70年代到80年代,随着计算机技术的提高,建立了更多的模拟过程与计算模型,这些模型可进行充型模拟,预测浇注温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。80

基金项目:河南省科技攻关项目(971110305)

作者简介:曹洪吉(1974-),男,吉林永吉人,硕士生;宋延沛(1957-),男,河南武陟人,教授,博士,主要从事耐磨材料、复合材料研究.收稿日期:2005-06-28

?6?河南科技大学学报:自然科学版　　　　　　　　　　　　2006年年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用,80年代后期,充型模拟快速发展,这使得铸造厂能有效利用浇注系统消除由流动引起的铸造缺陷,对凝固和补缩能产生一个最佳的温度分布,提高了铸件质量和产率。90年代后期,发展了微结构模拟,它除了对冶金学有更深意义的影响外,还能预测和控制铸件的机械性能。此后不久,人们通过对流和扩散模拟认识了熔融金属液体在生长的枝晶臂间流动的过程[3]。90年代后期,对应力和变形的模拟研究,更有利于控制铸件的扭曲变形,减少残余应力,最大程度地消除热裂纹和裂缝,减少模具变形,提高了模具的使用寿命。

2　铸造过程计算机模拟的研究应用的现状

目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。

(1)充型凝固模拟。已经研究许多算法,如并行算法、三维有限元法、、数值法与解析法等,主要以砂型铸造的充型模拟为主,(2)缩孔缩松预测。1/2拟,[4,5]。铸件缩孔与缩松(3)[7],而液固共存时应力场数值[8],许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难,目前还没有完全建立此阶段的力学模型,因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发[9],也建立了相应的数学模型,主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等[10]。对热裂的模拟经过几十年的研究,总结了影响因素和相应的判据,也提出了几种不同的理论,但总的来说这些理论还不能进行定量描述,尚需进一步研究[11]。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向[12],在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律,从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律,因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律[13,14]。另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来,利用有限差分法分析流动和传热,用有限元法计算应力[15]。

(4)凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程,比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现,已成为材料科学的研究热点之一[16]。这些方法虽能在一定程度上比较准确地模拟合金的凝固组织[17],但由于实际的凝固过程比较复杂,这些方法都作了很多假设,因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等[18,19]。场相法是研究直接微观模拟的热点,主要的模拟模型有三种:MonteCarlo(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型[20-22]。现有研究领域中球铁的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一;把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中,并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路。

3　计算机模拟铸造软件的应用

近年来国内外相继开发出许多不同类型的铸造模拟软件,按发展过程可大致分为三代:第一代模拟软件只能用简单的模数计算方法模拟热流动,不能模拟某一时刻铸件特定区域温度变化;第二代模拟软件基于温度场计算,可以以时间为参数显示铸件的温度变化,但没考虑凝固过程液体流动和密度变化,也没考虑不同合金的凝固结晶特性;第三代模拟软件则考虑了温度场计算、凝固期间液体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响[23]。从目前的铸造过程模拟软件应用来看,主要是国外的软件占主要地位并且代表了计算机数值模拟的最高水平。这些软件基本可以模拟以砂型为代表常用的铸造工艺。常用的国外软件有芬兰的CastCAE4.0,美国的Flow23D、Procast和德国的Magmasoft等。表1显示了目前国外铸造专用模拟软件的概况[24,25]。从表1中可以看出,国外铸造过程模拟软件虽然各有特点,各有侧

第1期曹洪吉等:铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展?7?重,但基本都可以完成充型模拟、凝固分析、残余应力和变形分析,SimtecSimulationSoftware、Procast等软件也能对铸件缺陷和性能预测等内容进行分析,Magmasoft和Procast则可以进行铸件的显微组织分析,这也正是这一研究领域的发展方向。

表1　国外铸造专用软件概况

软件名称

MavlsSoftware

CastCAE4.0

PAM-Cast

SolldCast,OpticCast

andFlowcast

Flow-3D

SimtecSimulation

Software、Wincast

Procast主要功能或特点预测熔体流动温度、压力、速度分布,也能预测凝固英国时间、宏观和微观收缩、枝晶臂间距、稳态温度分AlphacastSoftwareLtd布、模具温度、冷却速率、温度梯度等芬兰美国ESINorthAmerica美国FiniteSolution,Inc;美国Simtec,Inc;美国

UESSoftware,Inc;

日立公司

瑞典

NovaCastAB

德国计算凝固收缩、膨胀对发热冒口套和涂层的影响,能形成32D和类似X射线可视图能进行充模分析,也能进行铸件温度分布及凝固过程分析,、用FDM法计算传热过程形成的孔隙;;;可进行凝、表面缺陷追踪等分析模拟充模、凝固过程、预测与流动相关的缺陷,如凝固收缩、热裂、偏析、残余应力等;最新Wincast可以分析模拟铸件变形、模具变形以及热应力、机械应力可进行自由表面流动、应力、变形计算,模拟微观结构的形成如孔隙、气孔聚集开发商主要应用工艺砂模、熔模、低压金属模和金属模压力铸造砂模、压力金属模铸造、、熔模、消失模熔模、金属模铸造等砂模、压铸模、消失模、离心铸造、连续铸造砂模、压铸、永久模、熔模、消失模、半固态铸造砂模、壳模、低压永久模、消失模、熔模、离心铸造ADSTEFAN可处理大型网格模型,可预测铸件收缩、稳态模温、压力铸造、砂模、触计算缺陷的大小和位置、触融(Thixomolding)过程、融模铸造计算铸件和模具应力变形和结构变形可进行热传导、双向流、凝固和摩擦模拟,可分析温度、流体、收缩、凝固时间、热模数流率等,能形成二维和三维可视图可分析流动与传热、应力和微观组织,具有较强的

前后处理功能砂模、金属模、熔模、壳型铸造、压力铸造砂模、壳型铸造、熔模、金属模、压力铸NovaFlow&SolldMagmasoft

4　展望

尽管在过去几十年里,铸造过程模拟已经取得了大量有价值的成果,但一些重要的研究仍旧在困扰着研究人员,如熔融金属和模具之间的热交换本质、描述铸件内部成核机理的方式等均需做大量的工作。计算机模拟作为铸造行业发展的必由之路,未来的模拟软件发展应有如下特征。

(1)它必须能预测该工艺过程能产生哪些问题,铸件中缺陷(气孔、缩孔、冷隔、夹杂、砂蚀和热裂)的位置,以及如何在综合考虑不同生产细节的前提下,采用合适的方式解决这些问题。

(2)需要在模拟中考虑更多的影响因素,建立更加完善符合实际情况的宏观和微观相统一的模型,并且开发更加完善的既侧重铸造工艺又有友好可视前后处理界面图形的CAD软件。

(3)需要进一步完善模型,优化算法,制定精确高效的数值计算方法,并且要建立起准确全面的凝固传输物性参数库。

(4)在未来很长时期内,凝固模拟作为一个有力的工具,仍然需要有实践经验的工艺设计师使用才能发挥其作用与潜力。

(5)在网络化环境下,将设计、模拟、制造、评估等环节并行集中为一个系统应是重点发展方向,也是快速产品研发、提高铸件质量的科学方法。

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JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology

NaturalScience

Vol.27　　No.1　　(SumNo.98)　　Feb.2006

CONTENTSANDABSTRACTS

?MaterialScienceandEngineering?

SuperplasticWeldingofElectricContactorswithCompoundStructureBetweenAlloysandChromiumBronze(1)WANGYu2Fei,YANGYun2Lin,WANGChang2Sheng　(&UniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China)

Abstract:ThepossibilityofcarryingoutofcompoundstructurebetweenW80Cu20andQCr0.520.220.1withisothermalsuperplasticweldingisexplored.of56.6MPa,aweldingtemperatureof800～830℃whichlastsfor,initialstrainrateof1.5×10-2min-1,thetensilestrengthofthejointcanreach190.8MPaafter572pressurewelding,whichishigherthanthatinvacuumdiffusionwelding.Furthermore,superplasticweldingdoesnotrequirevacuumorshieldgas,andtheweldingtemperatureisrelativelylow.Duetoitsrelativelyhighefficiency,thereisagoodprospectforsuperplasticweldingtobeappliedintheweldingprocessofelectriccontactorswithcompoundstructure.

Keywords:Wolfram2copperalloys;Chromiumbronze;Superplasticdeformation;Pressurewelding

CLCnumber:TG453　　　　　　　Documentcode:AArticleID:167226871(2006)0120001204CurrentApplicationandFutureDevelopmentofComputerizedCastingSimulation…………………(5)CAOHong2Ji,SONGYan2Pei,WANGWen2Yan　(MaterialScience&EngineeringCollege,HenanUniversityofScience&Technology,Luoyang471003,China)

Abstract:Thehistoricaldevelopmentandcurrentapplicationofcomputertechnologyincastingsimulationissurveyed.Somesimulationsoftwarescommonlyusedabroadareintroduced.Inaddition,anoutlookforthefuturedevelopmentofcastingsimulationisalsoprovided.Itissuggestedthatcastingsimulationsoftwaresbeimprovedinthefollowingaspects:firstly,theyshouldbeprovidedwithbettermodelsandalgorithms;secondly,theyshouldbeabletopredictandremovecastdefects;thirdly,theyshouldcombinedesigning,simulating,manufacturingandevaluatingintoasinglesystemthatcanoperateundernetworkcondition.

Keywords:CastingProcess;Computerizedsimulation;Currentapplication

CLCnumber:TG24;TP391.77　　　　　Documentcode:AArticleID:167226871(2006)0120005204SurveyofResearchonChemicalColoringofStainlessSteel………………………………………(9)SUNDa2Yu1,LUOYong2Zan2　(1.AcademyofMachineryScience&Technology,BeijingMachineryTechnologyE2popularityCo.Ltd,Beijing100044,China;2.LuoyangShippingMaterialResearchInstitute,Luoyang471039,China)

Abstract:Theresearchhomeandabroadonthechemicalcoloringofstainlesssteelissurveyed.Ittookforeigncountries45yearstoproceedfromthephaseoflaboratoryresearchontothatofindustrializedmanufacturing,untilproductionlineswerefinallysetup.Atpresent,researchonchemicalcoloringofstainlesssteelinourcountryisstillundergoingtheprogressofproceedingfromlaboratoryresearchtoindustrializedmanufacturing.It’ssafetoassumethat,asthecoloringtechnologymatures,thepriceofcoloredstainlesssteelswillgraduallygetinlinewiththedevelopmentofournationaleconomy,therebyenablingthechemicalcoloringtechnologytoadvancerapidlyinourcountry.

Keywords:Stainlesssteel;Chemicalcoloring;Potentialcontrol;Coloredfilm

CLCnumber:TG142.71;TG174.41　　　Documentcode:AArticleID:167226871(2006)0120009204

?Machineryandlnstruments?

CosineRegressionPurifyingMethodtoDeterminePositionsofLeastSquareCentersinDifferentCrossSections………………………………………………………………………………………………(13)LEIXian2Qing1,2,LIYan1,LIJi2Shun2,ZHOUYan2Wei2,DUANMing2De2　(1.SchoolofMachinery&PrecisionInstrumentEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China;2.ElectromechanicalEngineering

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