鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展61

發(fā)布時間：2016-12-15 14:40

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第27卷第1期；2006年2月河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版；JournalofHenanUniversity；文章編號:1672-6871(2006)01-0；鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展；曹洪吉,宋延沛,王文焱；(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽471；摘要:概述了計算機技術(shù)在鑄造過程模擬中的產(chǎn)生、發(fā)；中圖分類號:TG24;TP391.77

第27卷第1期

2006年　2月河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版

JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceVol.27No.1Feb.2006

文章編號:1672-6871(2006)01-0005-04

鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

曹洪吉,宋延沛,王文焱

(河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽471003)

摘要:概述了計算機技術(shù)在鑄造過程模擬中的產(chǎn)生、發(fā)展和研究應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了一些常用的充型和凝固過程數(shù)值模擬軟件,對國內(nèi)相關(guān)模擬軟件的開發(fā)、選擇提供參考,,指出鑄造過程模擬軟件需要完善模型,優(yōu)化算法,;測和解決鑄件缺陷;在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,將設(shè)計、模擬、制造、。關(guān)鍵詞:鑄造過程;計算機模擬;發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號:TG24;TP391.770　前言

,但是直到20世紀80年代,才開始實現(xiàn)模擬軟件、計算機硬件和人力資源的完美結(jié)合,工業(yè)上以計算機為基礎(chǔ)的模擬才開始普遍應(yīng)用。目前,計算機模擬已發(fā)展為鑄造過程最具潛力的模擬預(yù)測工具,并在某些方面已經(jīng)進入工業(yè)化應(yīng)用階段,成為鑄造行業(yè)發(fā)展不可缺少的環(huán)節(jié)。

1　計算機技術(shù)應(yīng)用于鑄造過程模擬的發(fā)展

最早用于鑄造過程模擬的是美國哥倫比亞大學(xué)的“HeatandMassFlowAnalyzer”分析單元,基于此分析單元VictorPaschkis于1944年在砂模上做了熱傳導(dǎo)分析,其很多研究成果發(fā)表在AFS公報上[1]。1954年,Sarjant和Slack計算了鑄鐵塊內(nèi)部溫度分布,并使用數(shù)值方法計算了瞬時二維熱流模型。

1962年丹麥的Fursund研究熱在砂模中傳導(dǎo)對鋼鑄件表面影響的論文是鑄造行業(yè)首次發(fā)表計算機模擬的文獻[1]。1959年GeneralElectric(GE)公司的Campbell、VillenWeider等研究了應(yīng)用有限差分法(FDM)模擬生產(chǎn)大型厚鑄件制品,在1965年發(fā)展了可預(yù)測的凝固模型。但FDM法無法追蹤金屬充型時的自由表面,所以在20世紀80年代早期,一種被稱為流動體積法(VolumeofFlow;VOF)由Hirt和Nicholas引入,把流動體積函數(shù)作為主要參數(shù),用來追蹤流動自由表面[2]。

有限元法(FEM)最初是用來解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力分析問題的,但在20世紀60年代,有人開始應(yīng)用FEM法解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。其中AFS傳熱委員會發(fā)起并提出了鼓勵更深入開展此項研究的計劃,密歇根大學(xué)的研究人員發(fā)表了一些重要的文獻;RoberPehlke和JamesWilkes模擬了砂型鑄造過程,澆注了包括碳鋼、鋁和含鉛的黃銅合金等各種材料,結(jié)果表明,FDM法很大程度上受澆注介質(zhì)熱物理參數(shù)的影響[1]。

1973年挪威的VictorDavies等人在澆注鋁制品時,將FDM法應(yīng)用于砂型鑄造、金屬型鑄造和低壓鑄造。1974年LosAlamos科學(xué)實驗室開發(fā)了計算機生成的顏色移動圖片技術(shù),這種技術(shù)使用標(biāo)準的縮微膠卷拍攝裝置,通過對一系列光過濾器設(shè)置的控制程序,利用11種復(fù)合顏色描述不同溫度范圍,最終產(chǎn)生條狀或斑點狀圖像,實現(xiàn)了凝固模擬技術(shù)鑄型剖面的可視化[1]。

從20世紀70年代到80年代,隨著計算機技術(shù)的提高,建立了更多的模擬過程與計算模型,這些模型可進行充型模擬,預(yù)測澆注溫度變化、模擬液體流動方式以及預(yù)測這些因素對鑄件質(zhì)量的影響。80

基金項目:河南省科技攻關(guān)項目(971110305)

作者簡介:曹洪吉(1974-),男,吉林永吉人,碩士生;宋延沛(1957-),男,河南武陟人,教授,博士,主要從事耐磨材料、復(fù)合材料研究.收稿日期:2005-06-28

?6?河南科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版　　　　　　　　　　　　2006年年代早期瞬時充型的假設(shè)得到一定的應(yīng)用,80年代后期,充型模擬快速發(fā)展,這使得鑄造廠能有效利用澆注系統(tǒng)消除由流動引起的鑄造缺陷,對凝固和補縮能產(chǎn)生一個最佳的溫度分布,提高了鑄件質(zhì)量和產(chǎn)率。90年代后期,發(fā)展了微結(jié)構(gòu)模擬,它除了對冶金學(xué)有更深意義的影響外,還能預(yù)測和控制鑄件的機械性能。此后不久,人們通過對流和擴散模擬認識了熔融金屬液體在生長的枝晶臂間流動的過程[3]。90年代后期,對應(yīng)力和變形的模擬研究,更有利于控制鑄件的扭曲變形,減少殘余應(yīng)力,最大程度地消除熱裂紋和裂縫,減少模具變形,提高了模具的使用壽命。

2　鑄造過程計算機模擬的研究應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前計算機在模擬鑄造過程中的應(yīng)用主要集中在以下4個方面。

(1)充型凝固模擬。已經(jīng)研究許多算法,如并行算法、三維有限元法、、數(shù)值法與解析法等,主要以砂型鑄造的充型模擬為主,(2)縮孔縮松預(yù)測。1/2擬,[4,5]。鑄件縮孔與縮松(3)[7],而液固共存時應(yīng)力場數(shù)值[8],許多鑄造缺陷如縮松、縮孔、熱裂等都發(fā)生在此階段。由于液固共存態(tài)力學(xué)性能的測定十分困難,目前還沒有完全建立此階段的力學(xué)模型,因此仍是整個鑄造過程模擬的難點。國內(nèi)外不少數(shù)值模擬軟件已經(jīng)具有應(yīng)力分析的功能�，F(xiàn)階段應(yīng)力場研究大都是在自己的系統(tǒng)中借用現(xiàn)成的大型通用有限元分析軟件如ANSYS、MARC、ADINA等進行二次開發(fā)[9],也建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,主要有彈性模型、彈塑性模型、粘塑性模型等[10]。對熱裂的模擬經(jīng)過幾十年的研究,總結(jié)了影響因素和相應(yīng)的判據(jù),也提出了幾種不同的理論,但總的來說這些理論還不能進行定量描述,尚需進一步研究[11]。近幾十年發(fā)展起來的流變學(xué)為固液兩相區(qū)的力學(xué)行為研究拓展了新的方向[12],在此基礎(chǔ)上發(fā)展的流變學(xué)模型采用簡單的彈性體、粘性體和塑性體等理想的力學(xué)模型組合來表示材料復(fù)雜的流動及變形規(guī)律,從而能夠準確地反映流動變形隨時間的變化規(guī)律,因此流變學(xué)的方法適合處理鑄件在凝固過程中尤其是準固相區(qū)的流動及變形規(guī)律[13,14]。另一種方法是將有限差分法和有限元法結(jié)合起來,利用有限差分法分析流動和傳熱,用有限元法計算應(yīng)力[15]。

(4)凝固過程微觀組織模擬。微觀組織模擬是一個復(fù)雜的過程,比凝固和充型過程模擬具有更大的困難。近年來各種微觀組織模擬方法紛紛出現(xiàn),已成為材料科學(xué)的研究熱點之一[16]。這些方法雖能在一定程度上比較準確地模擬合金的凝固組織[17],但由于實際的凝固過程比較復(fù)雜,這些方法都作了很多假設(shè),因此離實際的鑄件凝固組織模擬還有一定距離。目前主要的模擬方法有確定性模擬、隨機性模擬、相場方法、介觀尺度模擬方法等[18,19]。場相法是研究直接微觀模擬的熱點,主要的模擬模型有三種:MonteCarlo(MC)方法、元胞自動機模型、相場模型[20-22]�，F(xiàn)有研究領(lǐng)域中球鐵的微觀組織模擬仍是主要的研究方向之一;把相圖計算并入宏觀和微觀耦合模擬中,并且同時考慮顯微組織和偏析是進行多元合金模擬的必經(jīng)之路。

3　計算機模擬鑄造軟件的應(yīng)用

近年來國內(nèi)外相繼開發(fā)出許多不同類型的鑄造模擬軟件,按發(fā)展過程可大致分為三代:第一代模擬軟件只能用簡單的模數(shù)計算方法模擬熱流動,不能模擬某一時刻鑄件特定區(qū)域溫度變化;第二代模擬軟件基于溫度場計算,可以以時間為參數(shù)顯示鑄件的溫度變化,但沒考慮凝固過程液體流動和密度變化,也沒考慮不同合金的凝固結(jié)晶特性;第三代模擬軟件則考慮了溫度場計算、凝固期間液體流動補縮、重量密度及合金顯微組織的影響[23]。從目前的鑄造過程模擬軟件應(yīng)用來看,主要是國外的軟件占主要地位并且代表了計算機數(shù)值模擬的最高水平。這些軟件基本可以模擬以砂型為代表常用的鑄造工藝。常用的國外軟件有芬蘭的CastCAE4.0,美國的Flow23D、Procast和德國的Magmasoft等。表1顯示了目前國外鑄造專用模擬軟件的概況[24,25]。從表1中可以看出,國外鑄造過程模擬軟件雖然各有特點,各有側(cè)

第1期曹洪吉等:鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展?7?重,但基本都可以完成充型模擬、凝固分析、殘余應(yīng)力和變形分析,SimtecSimulationSoftware、Procast等軟件也能對鑄件缺陷和性能預(yù)測等內(nèi)容進行分析,Magmasoft和Procast則可以進行鑄件的顯微組織分析,這也正是這一研究領(lǐng)域的發(fā)展方向。

表1　國外鑄造專用軟件概況

軟件名稱

MavlsSoftware

CastCAE4.0

PAM-Cast

SolldCast,OpticCast

andFlowcast

Flow-3D

SimtecSimulation

Software、Wincast

Procast主要功能或特點預(yù)測熔體流動溫度、壓力、速度分布,也能預(yù)測凝固英國時間、宏觀和微觀收縮、枝晶臂間距、穩(wěn)態(tài)溫度分AlphacastSoftwareLtd布、模具溫度、冷卻速率、溫度梯度等芬蘭美國ESINorthAmerica美國FiniteSolution,Inc;美國Simtec,Inc;美國

UESSoftware,Inc;

日立公司

瑞典

NovaCastAB

德國計算凝固收縮、膨脹對發(fā)熱冒口套和涂層的影響,能形成32D和類似X射線可視圖能進行充模分析,也能進行鑄件溫度分布及凝固過程分析,、用FDM法計算傳熱過程形成的孔隙;;;可進行凝、表面缺陷追蹤等分析模擬充模、凝固過程、預(yù)測與流動相關(guān)的缺陷,如凝固收縮、熱裂、偏析、殘余應(yīng)力等;最新Wincast可以分析模擬鑄件變形、模具變形以及熱應(yīng)力、機械應(yīng)力可進行自由表面流動、應(yīng)力、變形計算,模擬微觀結(jié)構(gòu)的形成如孔隙、氣孔聚集開發(fā)商主要應(yīng)用工藝砂模、熔模、低壓金屬模和金屬模壓力鑄造砂模、壓力金屬模鑄造、、熔模、消失模熔模、金屬模鑄造等砂模、壓鑄模、消失模、離心鑄造、連續(xù)鑄造砂模、壓鑄、永久模、熔模、消失模、半固態(tài)鑄造砂模、殼模、低壓永久模、消失模、熔模、離心鑄造ADSTEFAN可處理大型網(wǎng)格模型,可預(yù)測鑄件收縮、穩(wěn)態(tài)模溫、壓力鑄造、砂模、觸計算缺陷的大小和位置、觸融(Thixomolding)過程、融模鑄造計算鑄件和模具應(yīng)力變形和結(jié)構(gòu)變形可進行熱傳導(dǎo)、雙向流、凝固和摩擦模擬,可分析溫度、流體、收縮、凝固時間、熱模數(shù)流率等,能形成二維和三維可視圖可分析流動與傳熱、應(yīng)力和微觀組織,具有較強的

前后處理功能砂模、金屬模、熔模、殼型鑄造、壓力鑄造砂模、殼型鑄造、熔模、金屬模、壓力鑄NovaFlow&SolldMagmasoft

4　展望

盡管在過去幾十年里,鑄造過程模擬已經(jīng)取得了大量有價值的成果,但一些重要的研究仍舊在困擾著研究人員,如熔融金屬和模具之間的熱交換本質(zhì)、描述鑄件內(nèi)部成核機理的方式等均需做大量的工作。計算機模擬作為鑄造行業(yè)發(fā)展的必由之路,未來的模擬軟件發(fā)展應(yīng)有如下特征。

(1)它必須能預(yù)測該工藝過程能產(chǎn)生哪些問題,鑄件中缺陷(氣孔、縮孔、冷隔、夾雜、砂蝕和熱裂)的位置,以及如何在綜合考慮不同生產(chǎn)細節(jié)的前提下,采用合適的方式解決這些問題。

(2)需要在模擬中考慮更多的影響因素,建立更加完善符合實際情況的宏觀和微觀相統(tǒng)一的模型,并且開發(fā)更加完善的既側(cè)重鑄造工藝又有友好可視前后處理界面圖形的CAD軟件。

(3)需要進一步完善模型,優(yōu)化算法,制定精確高效的數(shù)值計算方法,并且要建立起準確全面的凝固傳輸物性參數(shù)庫。

(4)在未來很長時期內(nèi),凝固模擬作為一個有力的工具,仍然需要有實踐經(jīng)驗的工藝設(shè)計師使用才能發(fā)揮其作用與潛力。

(5)在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下,將設(shè)計、模擬、制造、評估等環(huán)節(jié)并行集中為一個系統(tǒng)應(yīng)是重點發(fā)展方向,也是快速產(chǎn)品研發(fā)、提高鑄件質(zhì)量的科學(xué)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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鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展61