文档介绍：铸造凝固过程数值模拟
时间:2007-4-11 9:03:44
概述
    在铸造生产中,铸件凝固过程是最重要的过程之一,大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺,预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程数值模拟可以实现下述目的:
    1)预知凝固时间以便预测生产率。
    2)预知开箱时间。
    3)预测缩孔和缩松。
    4)预知铸型的表面温度以及内部的温度分布,以便预测金属型表面熔接情况,方便金属型设计。
    5)控制凝固条件。
    6)为预测铸应力,微观及宏观偏析,铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。
    铸件凝固过程数值模拟开始于60年代,丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算,得出了温度场,计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功,使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的
潜力和广阔的前景。于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。
数学模型的建立和程序设计
    液态金属浇入铸型,它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。在这个过程中,铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。从传热方式看,这一散热过程是按导热、对流及辐射三种方式综合进行的。显然,对流和辐射的热流主要发生在边界上。当液态金属充满型腔后,如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象,铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。
    基于分析和计算模型开发相应的程序,即可实现铸造凝固过程温度场的计算。
温度场的数值模拟
    在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的,以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。
铸件充型过程的数值模拟
铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下,金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括:流量的分布、流速的分布以及由此导致的铸件温度场分布。
充型过程数值模拟一方面分析金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态,优化浇冒口设计并仿真浇道中的吸气,以消除流股分离和避免氧化,减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击;另一方面,分析充型过程中金属液及铸型温度变化,预测冷隔和浇不足等铸造缺陷。
    充型过程数值模拟技术由于所涉及的控制方程多而复杂,计算量大而且迭代结果易发散,加上自由表面边界问题的特殊处理要求使其难度更大,国内外学者经过多年研究已开发出了MAGMA软件,Pro CAST等。MAGMA软件可对中等复杂铸件进行三维流场分析,获得比较符合实际情况的初始温度场分布。
    铸造充型过程数值模拟技术主要有三种方法:
    1 SIMPLE法,即压力连接方程半隐式方法(Semi- Implicit Method for Pressure Linked Equation);
    2 SMAC法,即简化标示粒子法(Simplifed Marker and Cell);
    3 SOL A- VOF法,即解法(Solu-tion Algorithm)及体积函数法(Volume of Fluid)。
应力场的数值模拟
    铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。应力场分析可预测铸件热裂及变形等缺陷。
    由于三维应力场模拟涉及弹性-塑性-蠕变理论及高温下的力学性能和热物性参数等,研究的难度大。现在研究多着重于建立专门用于铸造过程的三维应力场分析软件包,有些研究是利用国外的通用有限元软件对部分铸件的应力场进行模拟分析,这对优化铸造工艺和提高铸模寿命发挥了重要作用。应力场模拟分析正向实用化发展,但迄今为止还没有一种科学方法准确测量金属铸件各个部位的热应力或残余应力。
铸件微观组织模拟
    铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等,以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。铸件微观组织模拟经过了定性模拟、半定量模拟和定量模拟阶段,由定点形核到随机形核。这一研究存在的问题是很难建立一个相当完善的数学模型来精确计算形核数,枝晶生长速度及组织转变等。