鑄造專業(yè)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題背景和研究意義1</p><p>　　1.2 計(jì)算機(jī)模擬在鑄造中的應(yīng)用現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀3</p><p

2、>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀5</p><p>　　1.3 ProCAST軟件介紹6</p><p>　　1.3.1 ProCAST軟件主要模塊功能6</p><p>　　1.3.2 ProCAST軟件結(jié)構(gòu)7</p><p>　　1.4 研究目的及內(nèi)容8</p><p>　　2 鑄造鋁合金

3、縮孔形成理論8</p><p>　　2.1 鑄造分類及特點(diǎn)8</p><p>　　2.2 鑄造的缺陷9</p><p>　　2.3 鋁合金鑄件縮孔形成機(jī)理9</p><p>　　2.4 鋁合金鑄件中影響縮孔形成的因素10</p><p>　　2.5 數(shù)值模擬技術(shù)概論10</p>&l

4、t;p>　　2.5.1 鑄造過程數(shù)值模擬軟件的發(fā)展現(xiàn)狀10</p><p>　　2.5.2 溫度場(chǎng)11</p><p>　　2.6 鋁合金鑄件縮孔形成的部位13</p><p>　　3 低壓鑄造下的縮孔缺陷數(shù)值模擬13</p><p>　　3.1 數(shù)值模擬凝固過程縮孔缺陷預(yù)測(cè)13</p><p>

5、;　　3.2 鋁合金鑄件縮孔的預(yù)測(cè)方法15</p><p>　　3.3 低壓鑄造中縮孔預(yù)測(cè)17</p><p>　　3.4 運(yùn)用Pro/E繪圖軟件繪制雙頭錘試件17</p><p>　　3.5 利用EasyCAST模擬結(jié)果分析19</p><p>　　3.6 ProCAST軟件模擬分析21</p><

6、p>　　3.6.1 網(wǎng)格剖分21</p><p>　　3.6.2 進(jìn)入PreCAST界面設(shè)置條件22</p><p>　　3.6.3 模擬計(jì)算23</p><p>　　4 模擬結(jié)果對(duì)比24</p><p>　　4.1 雙頭錘低壓鑄造結(jié)果24</p><p>　　4.2 ProCAST軟件模擬

7、結(jié)果和EasyCAST模擬對(duì)比25</p><p>　　4.3 小結(jié)26</p><p><b>　　5 結(jié)論26</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)28</p><p><b>　　致 謝30</b></p><p><b>　　1 緒論&

8、lt;/b></p><p>　　1.1 選題背景和研究意義</p><p>　　鑄造行業(yè)作為一個(gè)古老的行業(yè)，在數(shù)千年人類發(fā)展過程中，曾經(jīng)為人類文明的發(fā)展與進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。早在5000年前的殷商時(shí)代，可以鑄造飲酒用的杯，當(dāng)作樂器用編鐘,祭祀用的銅鼎，打仗用的武器等, 被譽(yù)為世界奇跡。青銅器的鑄造就很發(fā)達(dá)，湖北隋縣出土的一套青銅全套64支，總重5噸多，氣勢(shì)磅礴，鑄造精美，紋路精細(xì)

9、，敲擊時(shí)鏗鏘悅耳，深沉渾厚，樂音和諧，扣人心弦。到了漢代，生鐵鑄造就已成規(guī)模。各種農(nóng)業(yè)用工具，打仗用刀斧劍炮，裝飾用鐵人、鐵馬、方鼎，品種繁多。考古發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)可鍛鑄鐵在中國(guó)使用己經(jīng)很廣泛。而西方在公元1670年才發(fā)明歐法的白心可鍛鑄鐵。中國(guó)古代的鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)要比歐洲早1000多年[1]。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)，鑄造的發(fā)展速度很快，其重要因素之一是產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步，要求鑄件各種機(jī)械物理性能更好，同時(shí)仍具有

10、良好的機(jī)械加工性能；另一個(gè)原因是機(jī)械工業(yè)本身和其他工業(yè)如化工、儀表等的發(fā)展，給鑄造業(yè)創(chuàng)造了有利的物質(zhì)條件。建國(guó)50多年來，我國(guó)的壓鑄工業(yè)從無到有，壓鑄生產(chǎn)有了相當(dāng)大的發(fā)展，隨著我國(guó)汽車、摩托車、家用電器、計(jì)算機(jī)等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)壓鑄件的需要量日益增加，以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、精密、大型壓鑄件的壓鑄工業(yè)得到高速的增長(zhǎng)和發(fā)展。</p><p>　　目前，我國(guó)鑄件年產(chǎn)量已超過3100萬噸，居世界第一，是世界鑄造生產(chǎn)大國(guó)。由于鑄造業(yè)其

11、產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，廢品率較高，所以在我國(guó)改革開放和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的不斷深入以及國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈、嚴(yán)格的條件下，對(duì)鑄件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化控制，確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低鑄件成本，增加競(jìng)爭(zhēng)能力，提高經(jīng)濟(jì)效益，加速產(chǎn)品更新和技術(shù)換代，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造和國(guó)民經(jīng)濟(jì)向質(zhì)量效益型健康發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　從六十年代初凝固模擬技術(shù)首次被用來進(jìn)行溫度場(chǎng)研究開始，經(jīng)過數(shù)十年的努力，鑄件充

12、型凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入了工程實(shí)用化階段，鑄造工藝設(shè)計(jì)和實(shí)施也正在逐步由經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)化。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，鑄件凝固過程數(shù)值模擬等多項(xiàng)技術(shù)在鑄造生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)在改造和提升傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，降低產(chǎn)品成本，提高鑄造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起到了不可替代的作用，其廣泛應(yīng)用必將為鑄造行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。</p><p>　　

13、鑄件充型凝固數(shù)值模擬系統(tǒng)主要包括前處理、充型計(jì)算、凝固計(jì)算和后處理幾個(gè)主要模塊。鑄件凝固過程模擬包括溫度場(chǎng)計(jì)算、縮孔縮松預(yù)測(cè)、微觀組織形成以及其它場(chǎng)的模擬計(jì)算，其中溫度場(chǎng)計(jì)算、縮孔縮松預(yù)測(cè)，被學(xué)者稱為鑄件凝固過程的宏觀模擬。目前，一般的溫度場(chǎng)模擬已基本成熟，縮松、縮孔等缺陷預(yù)測(cè)也得到了深入研究。對(duì)于數(shù)值模擬軟件而言，縮松、縮孔的預(yù)測(cè)是凝固計(jì)算的主要目的之一，也是大多數(shù)凝固模擬軟件的主要功能之一，但是目前軟件的推廣以及應(yīng)用還并不完善[2]

14、。</p><p>　　壓鑄鋁合金自1914年投入商業(yè)化生產(chǎn)以來。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和冷室壓鑄機(jī)的發(fā)明，得到了快速發(fā)展。到20世紀(jì)80年代。美國(guó)68％的鋁合金采用壓鑄生產(chǎn)。壓鑄鋁臺(tái)金按性能分為中低強(qiáng)度和高強(qiáng)度兩種，中低強(qiáng)度壓鑄鋁合金，如我國(guó)的Y102和美國(guó)的443.0 (ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的$5C)；另一種勾高強(qiáng)度壓鑄鋁合金。如我國(guó)的Y112和美國(guó)的380.0(ASTM標(biāo)準(zhǔn)的SC84B) 目前工業(yè)應(yīng)用的壓鑄鋁合金主要

15、有以下幾大系列：AJ-Si、 Mg、A1-Cu、A1 Si Mg、Al Si Cu Mg、AI-Zn等。</p><p>　　美國(guó)的高強(qiáng)度壓鑄鋁合金A380.0(ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的SC84A)，其主要應(yīng)用于路燈燈座、打字機(jī)框架和牙科器皿等。日本的ADC12鋁硅合金因具有強(qiáng)度和耐腐蝕性能高,熱膨脹系數(shù)小,切削性能好及優(yōu)良的鑄造性能被廣泛應(yīng)用于汽車汽缸體、缸蓋、機(jī)車減震器、引擎齒輪箱、農(nóng)機(jī)齒輪箱等零部件。近年來,隨著汽

16、車、摩托車工業(yè)的迅速發(fā)展，其主要用于小型汽車的制動(dòng)泵殼體及摩托車減震器殼體等形狀較復(fù)雜，強(qiáng)度、精度要求較高的批量生產(chǎn)的中小型零部件[3]。</p><p>　　縮孔是鋁合金鑄件常見缺陷之一，嚴(yán)重的縮孔缺陷往往造成鑄件的大量報(bào)廢。目前國(guó)內(nèi)的鋁鑄件生產(chǎn)廠家主要是通過質(zhì)量的檢測(cè)和工藝的改進(jìn)相結(jié)合的辦法來減輕或消除此類缺陷。產(chǎn)品的試制時(shí)間較長(zhǎng)，并造成了人力、物力的浪費(fèi)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為預(yù)測(cè)鑄件缺陷，確保鑄件質(zhì)量提供了一種

17、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的方法。對(duì)凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬也成功的用于澆冒口的輔助設(shè)計(jì)，但大都偏重于鑄鋼、鑄鐵件的應(yīng)用，對(duì)鋁合金的應(yīng)用研究較少。80年代中期以來，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造過程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，隨著模擬研究的不斷發(fā)展，模擬研究的重點(diǎn)已經(jīng)從早期的溫度場(chǎng)模擬和近幾年較受關(guān)注的流場(chǎng)模擬轉(zhuǎn)向了以下兩個(gè)方面：一個(gè)是向微觀組織模擬以及力學(xué)性能模擬等方面進(jìn)行深入的探討，尋求新的突破；另一個(gè)是在已有的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的

18、模擬基礎(chǔ)上，針對(duì)特定的鑄造工藝，尤其是壓鑄，低壓鑄造等工藝參數(shù)較多。且對(duì)各項(xiàng)參數(shù)十分敏感的特種鑄造工藝，結(jié)合各種工藝因素進(jìn)行模擬，追求更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，為工藝分析與優(yōu)化提供依據(jù)。對(duì)實(shí)際的鑄造生產(chǎn)而言，后者具有更加現(xiàn)實(shí)的意義。這意味著在未來的幾年里,凝固模擬將進(jìn)一步在各種新的鑄造工藝中應(yīng)用。國(guó)外許多鑄造</p><p>　　在鋁合金壓鑄生產(chǎn)中，壓鑄件經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一些縮孔、氣孔，產(chǎn)生這些問題的因素很多，一是產(chǎn)品壓鑄時(shí)

19、模具表面殘留水份，和鋁液接觸時(shí)，產(chǎn)生氣體，進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部；二是壓鑄件使用的鋁合金除渣、除氣不夠；三是壓鑄用的鋁液溫度沒有掌控好；四是模具上存在一些問題[4]。目前,對(duì)鋁鑄件滲漏的研究主要集中于以下方面:</p><p>　　1)利用數(shù)學(xué)的方法分析縮松、縮孔形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素,建立數(shù)學(xué)模型,使用計(jì)算機(jī)模擬鑄件凝固過程,確定鑄件中縮孔縮松形成的部位,然后進(jìn)行分析并改變模型中的工藝參數(shù)以達(dá)到消除或減輕縮松的目的,最

20、終用于指導(dǎo)鋁合金鑄件的生產(chǎn)。</p><p>　　2)依據(jù)凝固過程的特性,在生產(chǎn)實(shí)踐中通過反復(fù)試驗(yàn),探索縮孔、縮松形成的原因和機(jī)理,針對(duì)成因改進(jìn)工藝消除或減輕縮松、縮孔,以達(dá)到防治滲漏的目的[5]。</p><p>　　1.2 計(jì)算機(jī)模擬在鑄造中的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　四十年代，美國(guó)哥

21、倫比亞大學(xué)的Paschkis教授在美國(guó)鑄造學(xué)會(huì)的資助下，利用大型模擬計(jì)算機(jī)進(jìn)行了包括凝固模擬、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、澆包中熱損失、鑄型中熱流流動(dòng)等方面的研究。</p><p>　　1962年，丹麥學(xué)者ForsUnd把有限差分第一次用于鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算，為凝固模擬開辟了新的途徑，同時(shí)拉開了鑄件凝固過程數(shù)值模擬的序幕。</p><p>　　1966年美國(guó)通用汽車公司的Henzel和Keveria

22、n應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C(jī)缸體鑄件進(jìn)行了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近的計(jì)算溫度場(chǎng)。這些最初的嘗試性研究表明:運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究鑄件凝固過程具有廣闊的前景。此后，世界上許多的工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相繼開展了這方面的工作，并且試圖將數(shù)值模擬向著工程實(shí)用化方向努力。這期間，以美國(guó) Michigan 大學(xué)的 R.D.Pehlke 等人以及日本的大中逸雄等為代表的研究人員都相繼開始了凝固過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)性研究，并取得了顯著的進(jìn)步。他們深入研究了一般鑄件凝

23、固過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬中的計(jì)算方法、潛熱的處理、對(duì)流換熱、邊界條件、界面換熱系數(shù)和補(bǔ)縮距離等問題。這些問題的相繼解決，對(duì)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬實(shí)用化，以及下一階段的研究開發(fā)起到了巨大的推動(dòng)作用[6]。</p><p>　　七十年代以來，世界范圍內(nèi)許多國(guó)家都相繼開展了鑄件凝固的數(shù)值模擬，使得數(shù)值模擬得以快速的發(fā)展起來。大量的研究仍然集中在溫度場(chǎng)的計(jì)算以及縮松、縮孔及熱裂等缺陷預(yù)測(cè)方面，但此時(shí)的研究需要更高技術(shù)水平的流場(chǎng)計(jì)算

24、打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，充型過程的流場(chǎng)計(jì)算研究也已起步。在溫度場(chǎng)計(jì)算方面各個(gè)國(guó)家都為數(shù)值模擬做出了自己的貢獻(xiàn)。丹麥工業(yè)大學(xué) Hansen 在研究中采用當(dāng)量溫度使導(dǎo)熱系數(shù)在方程中表現(xiàn)為常數(shù)，利用熱焓法處理凝固潛熱和比熱，使用動(dòng)態(tài)差分格子參數(shù)來處理液態(tài)金屬的收縮和膨脹，并導(dǎo)出溫度場(chǎng)分布與應(yīng)力應(yīng)變速率的關(guān)系從而預(yù)測(cè)熱裂。挪威的 V.del.Davies 利用數(shù)值模擬的方法來確定冒口的補(bǔ)縮距離，通過計(jì)算溫度分布來確定冒口的位置。印度工學(xué)院的M.I.T

25、hambam和V.Panchanathan對(duì)鋁合金在鑄鐵型中的凝固進(jìn)行了模擬計(jì)算，指出鑄件鑄型間的傳熱系數(shù)只與鑄件與鑄型的體積比有關(guān)，而與鑄件的厚度無關(guān)，給出了不同體積比條件下無涂層和有硅粉涂層的傳熱系數(shù)，這樣，對(duì)于同樣系統(tǒng)的鑄件，只要知道了體積比，就可以知道傳熱系數(shù)值,為傳熱計(jì)算提供了方便條件。在日本，以大中逸雄、新山英輔為代表，對(duì)凝固數(shù)值模擬開展了較深</p><p>　　八十年代以來，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)贊

26、助，組成以佐治亞共工學(xué)院J.T.Be和密西根大學(xué)R-D.Peke教授為首的聯(lián)合小組，最終實(shí)現(xiàn)鑄造工藝CAD為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，目前研究工作已有多項(xiàng)成果和進(jìn)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，凝固數(shù)值模擬技術(shù)再一次得到了飛速的發(fā)展。一方面是由于研究過程中新的數(shù)學(xué)模型的建立和多種判據(jù)的應(yīng)用，使模擬結(jié)果不斷趨于實(shí)測(cè)結(jié)果，這表明溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，在此基礎(chǔ)上溫度場(chǎng)的研究正向廣度和深度發(fā)展，另一方面，在世界范圍內(nèi)對(duì)數(shù)值模擬的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向了流

27、動(dòng)場(chǎng)，建立了各種速度場(chǎng)計(jì)算方法,諸如MAC,SMAC,SOLA,SOLA VOF,COMMIX, SIMPLE 和SIMPLER等來求解 Navior Stocks動(dòng)量方程, 計(jì)算層流流動(dòng)時(shí)三維速度場(chǎng)。同時(shí)由于凝固基礎(chǔ)理論研究中所取得的新成果，使宏觀模擬計(jì)算與微觀的結(jié)晶過程有機(jī)結(jié)合起來成為可能[7]。</p><p>　　九十年代開始，微觀組織形態(tài)的計(jì)算機(jī)模擬已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。</p><p

28、>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　國(guó)內(nèi)在這方面起步較晚，但發(fā)展十分迅速。首先是眾多的大專院校和專業(yè)研究所進(jìn)行了廣泛的鑄件凝固數(shù)值模擬基礎(chǔ)性的研究。這方面具有代表性的有大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、內(nèi)蒙古工學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)、北京科技大學(xué)等等[8]。</p><p>　　1

29、991年，孫遜、王君卿對(duì)充填和傳熱過程數(shù)值模擬在球墨鑄鐵鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。</p><p>　　1993年，清華大學(xué)的荊濤、柳百成用SOLA VOF法對(duì)充型過程進(jìn)行了模擬，并研究了充型過程對(duì)澆注完成后鑄型內(nèi)初始溫度場(chǎng)的影響。</p><p>　　1994年，沈陽鑄造研究所與香港理工大學(xué)合作，運(yùn)用Sn以PLE算法結(jié)合SMAC法對(duì)板類和套類鑄件充型過程的金屬液流動(dòng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬

30、，還以水利充型試驗(yàn)對(duì)上述模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。</p><p>　　1995年，華中理工大學(xué)的陳立亮等人在分析了氣化模充型的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一套關(guān)于氣化模充填的三維數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了使用于微機(jī)的充填過程模擬軟件。</p><p>　　1996年，華中理工大學(xué)的袁浩揚(yáng)等人以SOLA VOF法為基礎(chǔ)，結(jié)合他們提出的三維自由表面邊界速度確定方法，實(shí)現(xiàn)了鑄造充型流動(dòng)過程的三維數(shù)值模擬。

31、同年，西安交通大學(xué)的蔡臨寧等人用 PHOENICS CFD軟件做主模塊，配以Van Leer法解析守衡標(biāo)量方程的子模塊，對(duì)三維型腔充填過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)二維流動(dòng)問題的層流模型和紊流模型進(jìn)行比較。</p><p>　　1997年，清華大學(xué)、秦皇島戴卡公司和一汽共同針對(duì)鑄造中大量遇到的回轉(zhuǎn)類鑄件，開發(fā)出基于坐標(biāo)系的充型和凝固模擬系統(tǒng)，有效的解決了基于直角坐標(biāo)系的模擬軟件在處理回轉(zhuǎn)類鑄件，尤其是薄壁鑄件時(shí)的網(wǎng)格剖

32、分結(jié)果不對(duì)稱，模擬結(jié)果局部失真等問題。</p><p>　　對(duì)于溫度場(chǎng)方面，研究主要集中在進(jìn)一步提高溫度場(chǎng)模擬計(jì)算的精度和效率，尤其是超大型鑄件的溫度場(chǎng)的快速準(zhǔn)確計(jì)算，清華大學(xué)董懷宇等對(duì)計(jì)算步長(zhǎng)進(jìn)行了研究，提出鑄件單元在凝固期間,從液相線到固相線的時(shí)間跨度概念,建立了時(shí)間步長(zhǎng)優(yōu)化模型。其次，流動(dòng)場(chǎng)方面，研究正向深度和廣度方向發(fā)展，包括各種鑄造方式的流動(dòng)場(chǎng)的計(jì)算，流場(chǎng)和其他場(chǎng)的耦合計(jì)算及多相流動(dòng)場(chǎng)計(jì)算。比如，中國(guó)臺(tái)

33、灣文瑞哲等介紹了開發(fā)的離心鑄造充型過程計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng),日本Kashi wai Shigeo等進(jìn)行了真空吸鑄充型過程數(shù)值模擬。</p><p>　　多相場(chǎng)方面,由于多相流動(dòng)模擬困難,大多數(shù)商業(yè)化鑄造模擬軟件還不具備多相流動(dòng)模擬能力。復(fù)雜多相流動(dòng)意味著一些關(guān)鍵問題必須考慮(如湍流流動(dòng), 表面張力, 熱傳導(dǎo)和相變等)。為準(zhǔn)確模擬多相流體,這些關(guān)鍵問題須同時(shí)適當(dāng)處理。中國(guó)陳立亮等開展了鑄造過程復(fù)雜多相流動(dòng)模擬研究,韓國(guó)學(xué)

34、者也進(jìn)行了高壓壓鑄過程的多相模擬,中國(guó)臺(tái)灣CHUANG Hsin Chien等開發(fā)出一種用于氣體和液體兩相流動(dòng)分析的技術(shù),日本SAKURAGI Takaya基于高精度算法,開發(fā)了帶有表面張力的充型模擬算法。再次,鑄件凝固過程中微觀組織模擬和力學(xué)性能預(yù)測(cè)成為鑄造數(shù)值模擬領(lǐng)域新的熱點(diǎn)，這方面的主要研究成果有,沈陽鑄造所李殿中以高溫鎳基合金為研究對(duì)象,采用概率方法進(jìn)行微觀組織生長(zhǎng)過程的三維模擬。大連理工大學(xué)金俊澤等建立描述金屬凝固組織形成過程

35、的宏、微觀耦合模型, 對(duì)Al Cu固溶型合金的凝固組織形成進(jìn)行模擬,取得了可喜的成果。中國(guó)金屬研究所郭大勇等用帶有宏觀計(jì)算瞬時(shí)傳輸方程的元胞自動(dòng)機(jī)法,模擬多組元合金熔體枝晶生長(zhǎng)。奧地利Leo ben大學(xué)吳孟懷等用歐拉多相法模擬凝固中相分離現(xiàn)象。為研究凝固中相分離現(xiàn)象,開發(fā)了基于體積平均的歐</p><p>　　1.3 ProCAST軟件介紹</p><p>　　1.3.1 ProCAS

36、T軟件主要模塊功能</p><p>　　McshCAST——網(wǎng)格生成模塊 用于對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行有限元四面體單元網(wǎng)格剖分?？芍苯幼x取由機(jī)械CAD系統(tǒng)所建立的實(shí)體模型。</p><p>　　BaseLicens——基本模塊 主要包括傳熱計(jì)算、前處理、后處理三個(gè)部分。傳熱計(jì)算包括導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱,使用熱烙方程式計(jì)算液相和固相轉(zhuǎn)變過程中的潛熱。應(yīng)用這個(gè)模塊用戶可以建立分析模型,對(duì)鑄件凝固

37、過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。ProCAST的前處理用于設(shè)定各種初始和邊界條件,可以準(zhǔn)確設(shè)定所有已知的鑄造工藝的邊界和初始條件。ProCAST的后處理用于分別顯示溫度、壓力和速度場(chǎng),同時(shí)又可以將這些信息與應(yīng)力和變形的信息集于一體。不僅如此，ProCAST還可以使用X射線的方式確定縮孔的位置?？s孔和縮松還可以使用縮孔判據(jù)或Niyama判據(jù)進(jìn)行評(píng)估。</p><p>　　Fluld Flow Analysis——流體分析模塊

38、 可以模擬所有包括充型在內(nèi)的液體和氣體流動(dòng)的效應(yīng)。ProCAST通過完全的Navier-Stocks流動(dòng)方程對(duì)流體流動(dòng)和傳熱進(jìn)行耦合計(jì)算。本模塊還包括非牛頓流體的分析計(jì)算等,可以模擬紊流、觸變成形、消失模鑄造、低壓鑄造、液態(tài)金屬在多孔介質(zhì)和過濾網(wǎng)中的流動(dòng)，也可以模擬注塑過程。為了模擬傾斜澆鑄和離心鑄造的流動(dòng)，提供了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系處理功能。粒子軌跡用于模擬液態(tài)金屬充填結(jié)束后雜質(zhì)和氧化物的運(yùn)動(dòng)情況。</p><p>　　

39、Stress Analysis——應(yīng)力求解模塊 可以進(jìn)行完全的熱、流動(dòng)和應(yīng)力的耦合計(jì)算?？梢燥@示由于鑄件變形而產(chǎn)生的鑄件和模型的間隙。更可進(jìn)一步確定由于這種間隙的出現(xiàn)而影響到的鑄件冷卻時(shí)間和模型中熱節(jié)的產(chǎn)生。本模塊包含多個(gè)描述材料機(jī)械性能的模型，可以對(duì)鑄件或模具進(jìn)行彈性、彈塑性或熱彈塑性中任何一個(gè)或幾個(gè)組合設(shè)定。</p><p>　　Radiation ModsL——輻射計(jì)算 采用最新提出的“灰體凈輻射法”來精確

40、計(jì)算表面的熱輻射，并自動(dòng)計(jì)算由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的視角系數(shù)和陰影效應(yīng)的變化。這種能夠精確處理相對(duì)移動(dòng)物體的熱輻射問題的能力，大大加強(qiáng)了基本模塊中關(guān)于輻射計(jì)算的功能。</p><p>　　Inverse Module——反算求解模塊 通過反算求解可以確定邊界條件和材料的熱物理性能。雖然ProCAST提供了一系列可靠的邊界條件和材料的熱物理性能，但有時(shí)模擬計(jì)算對(duì)這些數(shù)據(jù)有更高的精度要求，這時(shí)反算求解可以利用實(shí)際的測(cè)試溫

41、度數(shù)據(jù)來確定邊界條件和材料的熱物理性能[9]。</p><p>　　1.3.2 ProCAST軟件結(jié)構(gòu)</p><p>　　軟件分為幾個(gè)部分:McshCAST:前處理有限元網(wǎng)格生成器;PreCAST:參數(shù)附值，包括設(shè)置鑄件、冷卻液體、其他材料，定義接觸邊界條件，設(shè)置熱交換條件，設(shè)置工藝參數(shù)、冷卻參數(shù)等前處理工作。DataCAST/ProCAST:求解器。ViewCAST:顯示各種計(jì)算結(jié)果

42、與模型的狀況，其工作流程如圖1-1所示:</p><p>　　圖1-1軟件工作流程圖</p><p>　　1.4 研究目的及內(nèi)容</p><p>　　本課題建立縮孔缺陷預(yù)測(cè)的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄件縮孔缺陷，達(dá)到優(yōu)化鑄造工藝的目的，并在實(shí)踐生產(chǎn)中得到應(yīng)用。為提高鑄件質(zhì)量，降低生產(chǎn)開發(fā)成本打下基礎(chǔ)。</p><p>　　本課題是利用雙錘

43、頭試件，分析建立縮孔計(jì)算的相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，編寫程序并對(duì)縮孔進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用實(shí)驗(yàn)室模擬軟件EasyCAST和ProCAST軟件分別在不同保壓壓力及保壓時(shí)間下進(jìn)行模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)縮孔計(jì)算數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。與Procast軟件和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證二者的準(zhǔn)確性。</p><p>　　2 鑄造鋁合金縮孔形成理論</p><p>　　2.1 鑄造分類及特點(diǎn)</p>&l

44、t;p>　　鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一[10]。</p><p>　　鑄造是獲得零件毛坯的主要方法之一。與其它加工方法比較，鑄造具有適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn),尤其在制造內(nèi)腔復(fù)雜的構(gòu)件時(shí),更顯其優(yōu)越性。在機(jī)械產(chǎn)品中，鑄件占有很大的比例，如機(jī)床中為60％～80％。但是鑄造存在著鑄件質(zhì)量

45、不穩(wěn)定、尺寸精度不高,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,工作環(huán)境差等問題。</p><p>　　鑄造一般按造型方法來分類，習(xí)慣上分為普通砂型鑄造和特種鑄造。普通砂型鑄造包括濕砂型、干砂型、化學(xué)硬化砂型三類。特種鑄造按造型材料的不同，又可分為兩大類：一類以天然礦產(chǎn)砂石作為主要造型材料，如熔模鑄造、殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、泥型鑄造、實(shí)型鑄造、陶瓷型鑄造等；一類以金屬作為主要鑄型材料，如金屬型鑄造、離心鑄造、連續(xù)鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造等。

46、</p><p>　　鑄造工藝可分為三個(gè)基本部分，即鑄造金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理。鑄造金屬是指鑄造生產(chǎn)中用于澆注鑄件的金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習(xí)慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金[11]。</p><p>　　2.2 鑄造的缺陷</p><p>　　鑄造缺陷是造成廢品的主要原因，是對(duì)鑄件質(zhì)量

47、的嚴(yán)重威脅。由于方方面面的原因，存在于鑄件的缺陷五花八門，由于凝固成形時(shí)條件的差異，缺陷的種類表現(xiàn)為形態(tài)和表現(xiàn)部位不尺相同。如液態(tài)金屬的凝固收縮會(huì)形成縮孔、縮松；凝固期間元素在固相和液相中的再分配會(huì)贊成偏析；冷卻過程中熱應(yīng)力的集中會(huì)造成鑄件裂紋和變形。應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生的原因和出現(xiàn)的程度不同，采取相應(yīng)措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外，還有許多缺陷，如有夾雜物、氣孔、冷隔等，出現(xiàn)在充填過程中，它們不僅與合金種類有關(guān)，而且還與具體成形工藝

48、有關(guān)?？傊?，防止、消除和控制各類缺陷是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵問題。</p><p>　　2.3 鋁合金鑄件縮孔形成機(jī)理</p><p>　　縮孔形成的原因是由于金屬液在冷卻凝固過程中，液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)充，在鑄件最后凝固部位出現(xiàn)孔洞，容積大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。不同合金的凝固方式和收縮特點(diǎn)不同，形成縮孔的形態(tài)也不相同?？s孔形態(tài)還受冷卻條件、凝固時(shí)外界壓力的影

49、響。如果鑄件(含澆冒口系統(tǒng))在下述條件下凝固就可能形成光滑壁縮孔 (1)散熱條件好、凝固速度快； (2)外生(逐層)方式凝固；(3)順序凝固；(4)最后凝固部位形成縮孔時(shí)與大氣連通。如果鑄件是在上述相反條件下凝固，就會(huì)形成粗糙壁縮孔和分散性縮松。所謂光滑壁縮孔是熱節(jié)部位的金屬液在未形成樹枝狀結(jié)晶前，在重力或外界壓力(大氣壓)作用下被迅速遷移補(bǔ)充到其它正在凝固收縮的部位， 留下一個(gè)表面比較光滑的空腔。一些鑄造工作者可能有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)

50、剛注滿金屬液的鑄型， 因某種原因突然漏水(跑火)，而鑄件已有部分凝固結(jié)殼，金屬液流失后剩下的殼壁內(nèi)表面一般是光滑的，這與上面所說的理想狀態(tài)下凝固的冒口內(nèi)形成光滑壁縮孔有相似性 縮孔形成時(shí)也會(huì)有伴生現(xiàn)象，即封閉在鑄件內(nèi)部的縮孔內(nèi)會(huì)處于一定的真空狀態(tài)(P孔內(nèi)氣壓<P大氣壓)，如果縮孔與鑄件表面之間存在不致密的</p><p>　　2.4 鋁合金鑄件中影響縮孔形成的因素</p><p>

51、　　1）合金凝固方式的影響</p><p>　　凝固方式分為外生光滑界面（平滑壁）凝固、粗糙界面凝固、海綿狀凝固、內(nèi)生糊狀凝固和殼狀凝固等五種方式。成海綿狀和糊狀凝固時(shí)，由于鑄件外殼承載能力低，內(nèi)部金屬補(bǔ)縮阻力大，易于形成縮松和縮凹缺陷；當(dāng)呈光滑界面凝固時(shí)，鑄件外殼為連續(xù)的固體，承載能力高，且內(nèi)部金屬容易補(bǔ)縮，因而易于形成集中縮孔。</p><p>　　2）鑄件熱流的大小和方向</p

52、><p>　　當(dāng)呈光滑界面凝固時(shí)熱流對(duì)鑄件縮孔形成影響。單向散熱時(shí)，只出現(xiàn)外形體積減小，鑄件頂面降低；熱流向下及側(cè)面散出時(shí)，除外形縮小外，頂部形成集中縮孔。若出現(xiàn)其他凝固方式，則缺陷形式會(huì)隨之變化，變?yōu)槎嘞蛏釙r(shí)形成內(nèi)部縮孔及外形體積縮小[7]。</p><p>　　2.5 數(shù)值模擬技術(shù)概論</p><p>　　2.5.1 鑄造過程數(shù)值模擬軟件的發(fā)展現(xiàn)狀</p&

53、gt;<p>　　計(jì)算機(jī)凝固模擬的基本思路是,首先將鑄件實(shí)體的幾何造型進(jìn)行網(wǎng)格剖分,作離散化處理,獲得各單元拓?fù)鋽?shù)據(jù)；其次,連續(xù)體離散化后,可以方便得把微分方程變成代數(shù)方程組，并在特殊的模型環(huán)境下進(jìn)行求解；最后,對(duì)在結(jié)點(diǎn)上取得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、顯示等圖形處理,使計(jì)算結(jié)果可視化。</p><p>　　鑄件充型凝固數(shù)值模擬系統(tǒng)主要包括前處理、中間計(jì)算和后處理三個(gè)模塊,如下所示。其中,前處理模塊的主要功

54、能是實(shí)現(xiàn)幾何條件加載、和網(wǎng)格剖分；中間計(jì)算模塊的任務(wù)是根據(jù)鑄造過程涉及的物理場(chǎng)進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置,進(jìn)而為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模擬，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場(chǎng)的關(guān)系（判據(jù)）預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量；后處理模塊的任務(wù)是將充型凝固過程以及模擬計(jì)算預(yù)測(cè)的缺陷以直觀、明了的方式展示給用戶,讓用戶能直接觀察到模擬計(jì)算的結(jié)果</p><p>　　圖2-1 鑄造過程數(shù)值模擬系統(tǒng)組成</p><p>　　隨著科技進(jìn)步以

55、及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)以及處理三維復(fù)雜圖形方面有了質(zhì)的飛躍，這無疑促進(jìn)了數(shù)值模擬軟件的快速發(fā)展。目前發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家都有自己的商品化模擬軟件，如美國(guó)的ProCast，韓國(guó)的AnyCasting，德國(guó)的MAGMA，芬蘭的CastCAE，西班牙的ForCast日本的CASTTEM，法國(guó)的SIMULOR，瑞典的 Novasolid等，許多軟件可以對(duì)砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造等進(jìn)行溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬，預(yù)測(cè)鑄件的縮松、

56、縮孔、熱裂等缺陷和各部位的組織。</p><p>　　目前國(guó)外鑄造模擬軟件的發(fā)展方向，正如前面數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展方向一樣，向著廣度和深度方向發(fā)展，一方面向低壓鑄造、壓力鑄造、熔模精密鑄造等特種鑄造方面發(fā)展，另一方面正從宏觀模擬走向微觀模擬。其中美國(guó)的ProCast和德國(guó)的 MAGMA已增加了球墨鑄鐵組織中石墨球數(shù)及珠光體含量的預(yù)測(cè)功能。</p><p>　　國(guó)內(nèi)軟件起步較晚，目前已開發(fā)的商

57、品化軟件主要有清華的FT-star,華中科技大學(xué)的華鑄CAE,沈陽鑄造研究所的strifCAST,中北大學(xué)的CastSoft等，這些軟件其部分功能己與國(guó)外軟件相當(dāng)，但是從軟件整體的使用效果和性能方面還有很大的差距，雖然可以滿足國(guó)內(nèi)鑄造工廠的一般需要，但是我們也必須清楚的看到我們的差距，未來仍有很長(zhǎng)的路要走。</p><p>　　2.5.2 溫度場(chǎng)</p><p>　　溫度場(chǎng)計(jì)算是凝固數(shù)值

58、模擬的基礎(chǔ)，是凝固數(shù)值模擬的重要部分。迄今發(fā)展出的溫度場(chǎng)計(jì)算方法主要有：有限元法（FEM）、有限差分法、邊界元法（BEM）等等。目前以有限差分法和有限元法應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　用有限元法求解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程時(shí)，需要如下步驟：匯集給定問題的單值性條件，即研究對(duì)象的幾何條件、物性條件、初始條件和邊界條件等；將計(jì)算涉及的區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理；寫出單元泛函數(shù)表達(dá)式；構(gòu)造每個(gè)單元的差值函數(shù)；求得泛函

59、數(shù)極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式；構(gòu)造代數(shù)方程組；編制計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果。有限元法利于模擬較為復(fù)雜的鑄件形狀，而且溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合計(jì)算較為方便，但是其計(jì)算過程存在計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備繁復(fù)和計(jì)算過程中數(shù)值振蕩的問題。</p><p>　　邊界元法是新提出的數(shù)值計(jì)算方法，原理上和其他計(jì)算方法不同，其計(jì)算時(shí)存在受分割單元的形狀和大小的限制小的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)非恒定問題，必須對(duì)內(nèi)部進(jìn)行分割，此時(shí)并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。并且存在基本計(jì)

60、算公式的推導(dǎo)和復(fù)雜程序的編制，聯(lián)立方程式的求解等問題。目前，在商品化鑄造數(shù)值模擬軟件中較少采用該方法。</p><p>　　有限差分法是求解導(dǎo)熱問題的有效方法之一，雖然有限差分法局限于規(guī)則的網(wǎng)格，但是其算式簡(jiǎn)便，節(jié)省內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間，所以成為當(dāng)前均勻網(wǎng)格剖分的凝固過程數(shù)值模擬領(lǐng)域中被廣泛采用的一種數(shù)值計(jì)算方法，該方法相對(duì)于有限元、邊界元等數(shù)值計(jì)算方法來說，具有數(shù)值計(jì)算方程導(dǎo)出容易，物理意義明確，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備簡(jiǎn)單和計(jì)算成

61、本低等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　對(duì)于有限差分法，在建立導(dǎo)熱差分方程時(shí)有兩種不同的方法，差商代替微商法和直接差分法即單元熱平衡法。差商代替微商法是基于導(dǎo)熱微分方程，用差商代替微商來導(dǎo)出差分方程；直接差分法不是以導(dǎo)熱微分方程為基礎(chǔ)，其方法主要是將應(yīng)求解的系統(tǒng)分割為許多微小的單元，各單元的物理現(xiàn)象不是通過微分方程式表示，而是直接表示為計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行計(jì)算的差分方程式，之后進(jìn)行求解。對(duì)于這兩種方法，由于差商代微商方法簡(jiǎn)單

62、、易于實(shí)現(xiàn)，便于數(shù)學(xué)上進(jìn)行收斂、穩(wěn)定性的分析，所以對(duì)于均勻網(wǎng)格而言這種方法應(yīng)用更為廣泛。直接差分法則是具有解答復(fù)雜形狀問題以及多種物質(zhì)組成的系統(tǒng)的能力，但是存在輸入數(shù)據(jù)量大、程序復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)的問題。筆者認(rèn)為，對(duì)于采用均勻網(wǎng)格剖分時(shí)，采用差商代微商法和直接差分法都比較實(shí)用，但是對(duì)于不均勻網(wǎng)格時(shí)，直接差分法的適應(yīng)性比較強(qiáng)，而目前鑄造模擬過程中的鑄件形狀都比較復(fù)雜，材料種類也比較繁多，所以在程序編制過程中應(yīng)使用適合多種情況的后者，對(duì)于本程

63、序中的計(jì)算，將分別采用兩種方法，來推導(dǎo)計(jì)算差分格式。</p><p>　　在差商代替微商法來導(dǎo)出差分方程時(shí)，由于存在向前差商和向后差商的問題，建立的差分方程有兩種格式：顯式差分格式和完全隱式差分格式。衡量一個(gè)計(jì)算方法的好壞與否主要考慮以下三個(gè)問題：1、解的精確度；2、求解方法的煩易，以及計(jì)算工作量的大小；3、計(jì)算方法的穩(wěn)定性條件。</p><p>　　在這三者中，對(duì)計(jì)算方法起著顛覆性影響的

64、是穩(wěn)定性條件。因?yàn)閷?duì)于解的精確度，只要計(jì)算誤差在允許的范圍內(nèi)，計(jì)算仍有意義，計(jì)算工作量的大小，計(jì)算速度的快慢還可以由計(jì)算機(jī)性能來彌補(bǔ)，而不能保證穩(wěn)定性的差分格式，將不存在實(shí)際意義。</p><p>　　由于顯示差分格式是條件穩(wěn)定的，而完全隱式差分格式是無條件穩(wěn)定的，所以從穩(wěn)定性的角度來衡量?jī)煞N格式，不難看出隱式差分法明顯優(yōu)于顯示差分法。而在進(jìn)行具體的鑄件凝固數(shù)值計(jì)算時(shí)三個(gè)條件必須要同時(shí)考慮。一般數(shù)學(xué)理論認(rèn)為，完全

65、隱式解法的計(jì)算精度應(yīng)較顯示解法精度高，但是在實(shí)踐中常常發(fā)現(xiàn)在取相同的時(shí)間步長(zhǎng)與作相同的剖分時(shí)，只要滿足顯示差分格式的穩(wěn)定性條件，其求解的精度與完全隱式解法相差不大，有時(shí)甚至還稍高于完全隱式計(jì)算法，這可能是由于完全隱式法在求解過程中，需要求解大的方程組，在解方程組的過程中累積誤差影響到了最后的計(jì)算結(jié)果。雖然從穩(wěn)定性角度出發(fā)，完全隱式法的時(shí)間步長(zhǎng)可以取很大，但在實(shí)際解決問題過程中，時(shí)間步長(zhǎng)過大將很難保證計(jì)算精度[14]。</p>

66、<p>　　2.6 鋁合金鑄件縮孔形成的部位</p><p>　　實(shí)際生產(chǎn)中，有時(shí)候要區(qū)分是縮孔還是氣孔或是夾渣缺陷，并不是很容易，需要綜合考慮鑄件的結(jié)構(gòu)因素來判斷?？偨Y(jié)起來，縮孔缺陷在鑄件上產(chǎn)生的部位肯定是最后凝固的地方，而導(dǎo)致最后凝固主要有以下兩種情況：</p><p>　　(1)最常見是發(fā)生在鑄件斷面突增或鑄件幾何熱節(jié)的部位，因?yàn)檫@些地方金屬液的散熱最慢，最后凝固而形

67、成缺陷。</p><p>　　(2)并非是鑄件的幾何熱節(jié)，而是因?yàn)榻饘僖洪L(zhǎng)時(shí)問流經(jīng)某處，使該處過熱，也會(huì)產(chǎn)生縮孔缺陷，通常稱之為物理熱節(jié)[15]。</p><p>　　3 低壓鑄造下的縮孔缺陷數(shù)值模擬</p><p>　　3.1 數(shù)值模擬凝固過程縮孔缺陷預(yù)測(cè)</p><p>　　數(shù)值模擬計(jì)算中,常用的縮孔縮松預(yù)測(cè)方法及判據(jù)有以下幾種：&l

68、t;/p><p>　　1.等值曲線法:等值曲線法就是用反映凝固陣面位置的某一參數(shù)的等值曲線在各個(gè)時(shí)刻的分布來判斷收縮缺陷的一種方法。一般有等溫 曲線法和等固相率曲線法兩種。</p><p>　　2.等溫曲線法:等溫曲線法一般選擇固相線溫度或根據(jù)合金的凝固特點(diǎn)確定的某一溫度作為液態(tài)金屬停止流動(dòng)的最高溫度，以此溫度在凝固過程中的不同時(shí)刻做出相應(yīng)的等值曲線。若等溫曲線存在封閉，則認(rèn)為封閉回路區(qū)域內(nèi)將

69、產(chǎn)生縮孔。</p><p>　　3.等固相率法:等固相率法也就是等臨界固相率曲線法。用合金停止宏觀流動(dòng)時(shí)的固相率值在不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的等值曲線分布判斷縮孔位置。合金的臨界固相率值大小取決于其凝固特性和凝固成形方法。</p><p>　　4.收縮量法:該方法是在時(shí)刻內(nèi)計(jì)算出鑄件內(nèi)達(dá)到臨界流動(dòng)固相率的凝固單元的總收縮量，若總收縮量大于單元體積時(shí)，則從冒口中或鑄件最高部位的可流動(dòng)單元中減去收縮量，所

70、減去的收縮量在冒口中或鑄件中的表征即為縮孔。</p><p>　　3.2 鋁合金鑄件縮孔的預(yù)測(cè)方法[15]</p><p><b>　　溫度場(chǎng)模型</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中T為溫度,c為比熱,ρ為液相和固相的平均密度,L為結(jié)晶潛熱,λ為導(dǎo)熱系

71、數(shù),u,v,w為枝晶間液體流速,φL為液相體積分?jǐn)?shù),與溫度有關(guān)。</p><p>　　等號(hào)左邊第2項(xiàng)表示枝晶間液體流動(dòng)的熱對(duì)流,由于結(jié)晶潛熱釋放,兩相區(qū)溫度梯度和液相體積分?jǐn)?shù)比較小,可以忽略不計(jì),式(1)變?yōu)?lt;/p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　其中φL可采用式(3)計(jì)算</p><p>

72、<b>　　（3-3）</b></p><p>　　式中　Tm為純金屬熔點(diǎn),TL為液相溫度,k為溶質(zhì)平衡分配系數(shù)。</p><p>　　動(dòng)態(tài)多熔池等效液面收縮量法</p><p>　　在鑄件的凝固過程中,往往同時(shí)存在多個(gè)孤立的熔池,凝固收縮時(shí)各個(gè)封閉熔池的最高液面金屬液均向下補(bǔ)縮,由此預(yù)測(cè)各孤立熔池的縮孔或單元致密度。</p>&

73、lt;p><b>　　動(dòng)態(tài)多熔池的判定</b></p><p>　　在tn時(shí)刻對(duì)所有鑄件單元賦予熔池編號(hào)“-1”。</p><p>　　2）tn時(shí)刻對(duì)全部單元判斷，將fis>fsc0的單元定凝固狀態(tài)號(hào)為1，將fis<fsc0的單元定凝固狀態(tài)號(hào)為0 (fis為i單元的固相率，fsc0為合金的臨界固相率)，fis >fsc0的單元被認(rèn)為沒有補(bǔ)縮能力

74、；</p><p>　　3) tn時(shí)刻任選一個(gè)凝固狀態(tài)編號(hào)為“0”且熔池編號(hào)為-1的單元進(jìn)行孤立熔池判斷。此單元及與該 單元相鄰的“0”單元以及這些“0”單元中任意一個(gè)相鄰的“0”單元，依次類推，這些單元必處于同一個(gè)孤立熔池。給這些單元賦熔池編號(hào)1；</p><p>　　4) 重復(fù)(3)，依次賦予熔池編號(hào)2、3、…，直至全部單元的熔池編號(hào)不為-1時(shí)刻；</p>&l

75、t;p>　　5)tn+1時(shí)刻重復(fù)步驟1)~4)。用該方法能確定凝固過程中各個(gè)時(shí)刻的熔池個(gè)數(shù)及熔池狀況。</p><p>　　（2）縮孔大小及分布的計(jì)算,孤立熔池的等效液面收縮量法</p><p>　　金屬液剛充滿型腔時(shí)所有單元處于一個(gè)熔池中,隨著凝固的進(jìn)行,鑄件中有的部位補(bǔ)縮通道不暢而導(dǎo)致形成多個(gè)孤立熔池。將等效液面收縮量法用于各個(gè)孤立熔池,并假設(shè)金屬液補(bǔ)縮僅考慮液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)的體

76、積收縮,不考慮熱脹冷縮影響;當(dāng)單元的固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到臨界值時(shí),此單元喪失補(bǔ)縮能力。</p><p>　　用等效液面收縮量法計(jì)算縮孔的大小需做兩條假設(shè)：</p><p>　　(1)金屬液補(bǔ)縮僅考慮液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)的體積收縮，不考慮熱脹冷縮影響。</p><p>　　(2)當(dāng)單元的固相率達(dá)到臨界固相率時(shí)，此單元喪失補(bǔ)縮能力。</p><p>　　

77、采用等效液面法計(jì)算縮孔的具體步驟如下：</p><p>　　(1)單元從液相變?yōu)楣滔鄷r(shí)體收縮率為</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式中： 為凝固收縮率, 為固相密度； 為液相密度。</p><p>　　(2)i單元從t-Δt時(shí)刻到t時(shí)刻的體積收縮量為:</p>

78、<p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　(3) 如果從t-Δt時(shí)刻到t時(shí)刻，P號(hào)熔池中有n個(gè)單元液固轉(zhuǎn)變，P號(hào)熔池總的體積收縮量: </p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　式中:</b></p><p>　　V

79、i 為單元體積 (m3);</p><p>　　ΔfLi 為單元i的液相率變化值</p><p>　　ΔVi為單元i的體積收縮量.</p><p>　　(4) P號(hào)熔池最高液面 (假設(shè)為第n層)，該層中固相率fis小于fsc的單元之和為Vn，此時(shí)可能出現(xiàn)兩種情況：</p><p>　　若Vn>ΔVP 液面仍處在第n層，對(duì)于fis<

80、fsc的各個(gè)單元,其單元液量減少，單元液量體積為:</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　式中Nn為第n層fis<fsc的單元個(gè)數(shù),Vin為第n層i單元液體體積。</p><p>　?、谌鬡n<ΔVP則第n層fis<fsc的單元變成空單元，液面下降至第n+1層，第n+1層中固相率fis<fs

81、c的單元其金屬液量進(jìn)一步減少，n+1層單元液量變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　當(dāng)然若第n層和第n+1層中可用于補(bǔ)縮的液體之和不足于補(bǔ)縮則液面將下降至n+2層，處理方法類似。</p><p>　　(5)其余熔池處理方法重復(fù) (3)- (4)。</p><p>　　3.3 低壓鑄

82、造中縮孔預(yù)測(cè)</p><p>　　集中縮孔與補(bǔ)縮通道的暢通與否有著密切的關(guān)系,低壓鑄造是在壓力作用下進(jìn)行凝固結(jié)晶的,壓力大小和作用時(shí)間對(duì)缺陷有著很大的影響作用。壓力越大、作用時(shí)間越長(zhǎng),越容易保證補(bǔ)縮通道的暢道,則縮孔傾向就越小,根據(jù)此原理可進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)。設(shè)壓力與金屬材質(zhì)臨界固相率的函數(shù)關(guān)系為:</p><p><b>　　fsc=F(P)</b></p>

83、<p>　　在壓力P的作用下,對(duì)應(yīng)的臨界固相率是fsc,當(dāng)單元的固相率小于fsc時(shí),金屬液可以自由流動(dòng),當(dāng)單元的固相率高于fsc時(shí),液態(tài)金屬通過枝晶滲流的阻力很大,甚至失去補(bǔ)縮能力,這種失去補(bǔ)縮能力的臨界固相率因不同的合金成分和凝固形態(tài)而不同,一般為0.5~0.8。</p><p>　　當(dāng)壓力在0至Pm之間時(shí)合金的臨界固相率與壓力的關(guān)系可看成一條直線fsc=kP+b,而當(dāng)壓力大于Pm時(shí)臨界固相率的變化

84、比較緩慢,此時(shí)可把它看成一條水平線來處理,認(rèn)為合金的臨界固相率不再發(fā)生變化。其中,臨界壓力Pm與此壓力下的臨界固相率fscm的值由合金而定,則:P=0,fsc=fsc0P=Pm,fsc=fscm代入方程解之,則P<P0時(shí),壓力與臨界固相率的關(guān)系為:fsc=fscm-fsc0PmP+fsc0，P>Pm,fsc=fscm凝固固相率fsc也是溫度T的函數(shù)。實(shí)際計(jì)算過程中是根據(jù)潛熱處理時(shí)所取的fs-T關(guān)系,首先找臨界固相率所對(duì)應(yīng)的溫

85、度,然后在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,描畫出不同時(shí)刻臨界溫度下的等溫線等方法來判別縮孔和縮孔的位置[16]。</p><p>　　3.4 運(yùn)用Pro/E[17]繪圖軟件繪制雙頭錘試件</p><p>　　打開Pro/E繪圖界面，草繪單個(gè)錘頭，標(biāo)注尺寸，利用旋轉(zhuǎn)功能繪出圖形，如圖3-1，3-2：</p><p>　　圖3-1 錘頭尺寸圖

86、 圖3-2 單個(gè)錘頭</p><p>　　以圖3-2為的一個(gè)面為參考創(chuàng)建一個(gè)平行草繪界面，復(fù)制出另一個(gè)錘頭，利用伸出項(xiàng)工具繪出兩錘頭之間的澆道，得到雙頭錘鑄件零件圖3-3。然后封閉試件去除材料得雙頭錘試件鑄型模具，圖3-4。</p><p>　　圖3-3 雙頭錘零件圖</p><p>　　圖 3-4 雙頭錘試件鑄型模具圖</p>

87、<p>　　3.5 利用EasyCAST模擬結(jié)果分析</p><p>　　打開EasyCAST軟件，利用Pro/E繪制出的三維圖形進(jìn)行模擬分析。設(shè)置模具參數(shù)（圖3-5），建立統(tǒng)一網(wǎng)格（圖3-6），剖分網(wǎng)格（圖3-7）</p><p>　　圖3-5 模具參數(shù) 圖3-6 網(wǎng)格參數(shù)</p><p><b

88、>　　圖3-7 網(wǎng)格剖分</b></p><p>　　點(diǎn)擊simulation進(jìn)行基本程序設(shè)置，材料選取ZL101，模型選擇red sand，傳熱模型溫度1000oC，點(diǎn)擊運(yùn)行進(jìn)行模擬分析，選取保壓壓力分別為0.081Mpa和0.02Mpa，保壓時(shí)間分別去200s和20s。模擬結(jié)果如下</p><p>　　圖3-8 EasyCAST模擬，保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間2

89、00s</p><p>　　圖3-9EasyCAST模擬，保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間20s</p><p>　　圖3-10EasyCAST模擬，保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間200s</p><p>　　圖3-11EasyCAST模擬，保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間20s</p><p>　　從以上結(jié)果可以看出，圖3-8，3-10左側(cè)之

90、所以出現(xiàn)收縮缺陷，是因?yàn)殍T件中間的橫澆道出先凝固而沒有得到充分的充型而出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象，而鑄件右邊，在足夠的保壓壓力和保壓時(shí)間下，充型的非常好，沒有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象；圖3-9，3-11左側(cè)和右側(cè)同時(shí)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象是因?yàn)闆]有足夠的保壓時(shí)間，在鑄件沒能在一定壓力作用下全部充型時(shí)卸壓，導(dǎo)致鑄件兩個(gè)錘頭都出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象。在實(shí)際工作中，我們一定要注意，鑄件的保壓壓力和保壓時(shí)間，以免出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤而導(dǎo)致鑄造失敗。</p><p>

91、　　把以上四圖與ProCAST軟件模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)縮孔的部位相同，證明EasyCASTEasyCAST也可以用于鑄造模擬分析。</p><p>　　3.6 ProCAST軟件模擬分析</p><p>　　3.6.1 網(wǎng)格剖分</p><p>　　進(jìn)入MeshCAST界面，打開利用Pro/E繪制的雙頭錘試件，首先檢查模型，設(shè)置網(wǎng)格長(zhǎng)度為5。畫面網(wǎng)

92、格，初步檢查面網(wǎng)格，結(jié)果如圖3-12</p><p><b>　　圖3-12</b></p><p>　　繼續(xù)畫體網(wǎng)格，然后檢查看看有沒有交網(wǎng)格，結(jié)果如圖3-13，最后畫裝配體網(wǎng)格。</p><p><b>　　圖 3-13</b></p><p>　　3.6.2 進(jìn)入PreCAST界面設(shè)置條件&

93、lt;/p><p>　　進(jìn)入PreCAST界面，點(diǎn)擊Materials選定材料及鑄件類型，如圖3-14所示。</p><p><b>　　圖 3-14</b></p><p>　　點(diǎn)擊Interface選取溫度1000，進(jìn)入Boundary Conditions設(shè)置邊界條件，充型溫度700，在保壓時(shí)間都是200s，保壓壓力分別為0.081Mpa和0

94、.02Mpa時(shí)，曲線圖分別為圖3-15和圖3-16。</p><p>　　圖3-15 保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間200s 圖3-16 保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間200s </p><p>　　在保壓壓力都是0.081Mpa，保壓時(shí)間分別是200s和20s時(shí)，曲線圖分別為圖3-15和圖3-17。設(shè)置重力Z方向?yàn)?.8，初始條件為25。</p><p

95、>　　圖3-17 保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間20s 圖3-18 保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間20s</p><p>　　在保壓壓力都是0.02Mpa，保壓時(shí)間分別為200s和20s時(shí)，曲線圖分別為圖3-16和圖3-18。 </p><p>　　3.6.3 模擬計(jì)算</p><p>　　進(jìn)入ProCAST界面進(jìn)行計(jì)算，通過Status可以查看進(jìn)度

96、。計(jì)算結(jié)束后進(jìn)入ViewCAST界面查看模擬結(jié)果。在保壓時(shí)間是200s，保壓壓力為0.081Mpa時(shí)，模擬結(jié)果如圖3-19；在保壓時(shí)間是200s，保壓壓力為0.02Mpa時(shí)，模擬結(jié)果如圖3-20；在保壓時(shí)間是20s，保壓壓力為0.081Mpa時(shí)，模擬結(jié)果如圖3-21；在保壓時(shí)間是20s，保壓壓力為0.02Mpa時(shí)，模擬結(jié)果如圖3-22</p><p>　　圖3-19 保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間200s<

97、;/p><p>　　圖3-20 保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間200s</p><p>　　圖3-21 保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間20s</p><p>　　圖3-22 保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間20s</p><p><b>　　4 模擬結(jié)果對(duì)比</b></p><p>　　4.1 雙

98、頭錘低壓鑄造結(jié)果</p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)柳百成先生的鑄造的模擬仿真與質(zhì)量控制中的雙頭錘低壓鑄造實(shí)驗(yàn)所做[13]。</p><p>　　通過對(duì)雙錘頭試件模具進(jìn)行低壓鑄造實(shí)驗(yàn)的結(jié)果（如圖4-1、4-2）分析，試件右半部分出現(xiàn)集中縮孔，左半部分完好，有模擬結(jié)果相差無幾。</p><p>　　圖 4-1

99、 圖 4-2</p><p>　　4.2 ProCAST軟件模擬結(jié)果和EasyCAST模擬對(duì)比</p><p>　　圖4-3 ProCAST（左）和圖4-4 EasyCAST（右）</p><p>　　在保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間200s下的模擬結(jié)果</p><p>　　圖4-5 ProCAST（左）和圖4-6 EasyCA

100、ST（右）</p><p>　　在保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間20s下的模擬結(jié)果</p><p>　　圖4-7 ProCAST（左）和圖4-8 EasyCAST（右）</p><p>　　在保壓壓力0.081Mpa保壓時(shí)間200s下的模擬結(jié)果</p><p>　　圖4-9 ProCAST（左）和圖4-10 EasyCAST（右）</p

101、><p>　　在保壓壓力0.02Mpa保壓時(shí)間20s下的模擬結(jié)果</p><p>　　從以上各圖可以看出，在保壓時(shí)間200s時(shí)兩個(gè)軟件所預(yù)測(cè)的結(jié)果基本相符。但是在保壓時(shí)間為20s時(shí)，ProCAST軟件右側(cè)沒有縮孔缺陷，而EasyCAST有縮孔缺陷，從理論上分析，由于保壓時(shí)間大大小于凝固時(shí)間，因此，在產(chǎn)品右側(cè)應(yīng)該出現(xiàn)重力收縮缺陷.因此ProCAST 軟件在此種情況下預(yù)測(cè)縮孔等缺陷不太準(zhǔn)確。<

102、;/p><p><b>　　4.3 小結(jié)</b></p><p>　　從以上模擬結(jié)果中，我們得出以下結(jié)論：</p><p>　　（1）鑄件在相同保壓時(shí)間，不同保壓壓力鑄造時(shí)，保壓壓力越大，鑄件縮孔就越小。在實(shí)際工作中，我們可以在適當(dāng)情況下對(duì)鑄件進(jìn)行加壓，以達(dá)到減少鑄件收縮缺陷的目的；</p><p>　?。?）鑄件在相同保

103、壓壓力下，保壓時(shí)間越短鑄件的縮孔相對(duì)就越大。當(dāng)保壓時(shí)間小于鑄件凝固時(shí)間時(shí)，鑄件就會(huì)出現(xiàn)收縮缺陷。在壓力一定的情況下，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)保壓時(shí)間，可以減少鑄件內(nèi)部的收縮缺陷。</p><p><b>　　5 結(jié)論</b></p><p>　　本文通過ProCAST、EasyCASTEasyCAST模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，在對(duì)鑄件保壓壓力、保壓時(shí)間的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)

104、上，成功的模擬了鋁合金雙頭錘鑄件低壓鑄造的充型凝固過程，并根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)鑄件可能產(chǎn)生的縮孔缺陷及部位進(jìn)行了預(yù)測(cè)，完成了利用ProCAST軟件模擬預(yù)測(cè)鋁合金鑄件在低壓鑄造下所形成的縮孔缺陷的預(yù)測(cè)。</p><p>　　根據(jù)模擬結(jié)果，得出以下結(jié)論：</p><p>　　1.建立雙頭錘零件縮孔預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，并編寫程序集成到EasyCAST軟件進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)多熔池判定鑄件縮孔缺陷的正確性

105、，并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，軟件所預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此EasyCast軟件可以用于對(duì)鑄件的缺陷進(jìn)行數(shù)值模擬分析。</p><p>　　2．通過把EasyCAST模擬結(jié)果、ProCAST模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果基本相同，但當(dāng)保壓時(shí)間短時(shí)，ProCAST軟件似乎不能夠很好的預(yù)測(cè)縮孔。</p><p>　　3．通過模擬分析，鑄件在同一保壓時(shí)間時(shí)，保壓壓力越大鑄件縮孔缺陷

106、越小。在適當(dāng)情況下可以加壓以減少鑄件縮孔的產(chǎn)生。</p><p>　　4．通過模擬分析，鑄件在相同保壓壓力時(shí)，保壓時(shí)間大于鑄件凝固時(shí)間，鑄件得到充分充型加壓，鑄造結(jié)果較好，小于鑄件凝固時(shí)間時(shí)會(huì)出現(xiàn)收縮缺陷。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王君卿.鑄造與計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)[J].軟件工程師.1998&l

107、t;/p><p>　　[2]趙浩峰.現(xiàn)代壓力鑄造技術(shù)[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.2003</p><p>　　[3]趙宏宇.汽車用鋁鑄件發(fā)展趨勢(shì)[J].有色金屬加工.1994.第5期</p><p>　　[4]蘇大為.鋁合金汽車輪毅低壓鑄造過程的數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[D].江蘇大學(xué)碩士論文，2008.</p><p>　　[5] 徐宏等.鋁合金鑄件縮孔

108、縮松預(yù)測(cè)新技術(shù)[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào).2001.第11卷</p><p>　　[6]劉進(jìn)軍.關(guān)于我國(guó)鋁合金擠壓型材應(yīng)用和發(fā)展[J].有色金屬加工.1994.第6期</p><p>　　[7]權(quán)燕燕等.鋁合金鑄件滲漏的預(yù)測(cè)及防治[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào).2004.第27卷（9）</p><p>　　[8]李魁盛，侯福生.鑄造工藝學(xué)[M].北京.中國(guó)水利水電出版社.200