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[摘 要]铸造过程的数值模拟是信息学、材料学、冶金学、流体力学、传热学、数学及计算机等各个学科的交叉,是国际公认的先进制造科学的前沿,有的学者将其称之为“柔性铸造技术”,我国将其列为CIMS(ComputerIntegrated Manufacture System)中的关键技术。铸造过程数值模拟技术是改造传统铸造产业的必由之路。铸造过程计算机数值模拟,包括凝固过程温度场的数值模拟、充型过程流动场的数值模拟、应力场数值模拟和微观组织形态的数值模拟。通过对这些单一和耦合过程数值模拟的研究,可以对铸件成形过程中产生的诸如缩孔、缩松、气孔、夹渣、浇不足、裂纹等各种铸造质量问题进行分析,找出其产生的内在原因,达到优化铸造工艺,消除铸造缺陷,提高产品质量的作用。
[关键词]铸件形成过程;计算机;数值模拟;发展及应用
中图分类号:TG250 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)09-0385-01
1、前言
由于产品质量预测在计算机上进行,并没有经过实际生产,因而可以节省大量的人力、物力、财力。尤其是新产品试制和大批量造型线生产的铸件,既方便快捷又有显著的经济效益。通过计算机数值模拟还可以使一直建立在生产经验基础上的旧铸造工艺设计从经验走向科学。
2、数值计算的基本理论
铸造过程计算机数值模拟技术是利用数值分析技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动及凝固理论对铸件成形过程进行仿真模拟,以模拟出铸件充型和凝固及冷却中的各种物理场、温度场,并据此对铸件进行质量预测的技术。这项技术可在制造工艺装备及浇注之前,综合评价各种工艺方案与铸件质量的关系,并在计算机屏幕上显示出铸造全过程,预测铸造缺陷,这就使得铸造工艺人员能够根据所存在的问题及时修改方案,从而获得合格铸件。
铸造过程的数值模拟涉及到充型过程和凝固过程的模拟,在进行凝固过程计算时假设铸型是瞬时充满的,这时只需计算温度场即可。当铸件壁很薄或充型时间和凝固时间差不多时,必须耦合充型过程流场模拟进行初始温度场计算,然后再进行凝固过程温度场模拟,而充型过程的流场控制是数值模拟最核心的问题之一,相对于凝固过程只涉及温度场来说,充型过程的模拟显得比较复杂和困难。这是由于充型不仅涉及到温度场还包含速度场、能力场的计算和模拟,属于计算流体学(CFD)范畴。其基本思想可以归结为:把原来在时间域和空间域上连续物理量的场,用一系列有限个离散点上变量值的结合来替代,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值。
数值计算中常用的离散方法主要包括:有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、有限体积法(FVM)和控制体积有限差分法(CV-FDM),一般来说针对不同的研究对象采用不同的数值模拟方法。在铸造过程数值模拟中,高温金属液的流动可以看成是粘性不可压缩牛顿流体的非稳态流动,一般采用k-ε双方程紊流模型和VOF方法来处理自由表面,通过求解流体在一段时间内运动的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,并追踪流体表面的变化体积函数,得到液态金属充型的流动性,从而达到优化模具设计,预测铸造缺陷等目的。
3、铸造充型及凝固过程模拟软件的应用进展
通过计算机对铸造过程模拟,可以对铸件充型和凝固过程中的任一时刻、任一位置进行局部或整体性的透视观察,为铸造工艺人员制定合理的铸造工艺方案提供较为可靠的依据,从而省掉了传统的“编工艺-制模造型-试浇试铸-解剖铸件-修改工艺”的过程,大大缩短工艺试验周期,确保铸件质量,提高工艺出品率,降低生产成本和废品损失,提高企业的经济效益,对企业有极高的实用价值。
3.1铸造充型凝固过程模拟软件的发展
近几十年来,随着铸件充型凝固过程数值模拟技术的不断完善,相应用于分析铸件形成过程的商品化软件不断出现。这方面的第一个软件是在1989年,由德国Aachen大学SahmP.R.教授主持开发的MAGMASoft。之后很多商业化的软件不断涌现出来,目前许多发达国家都有自己的商业化模拟软件,如美国的AFSSolidificationSystem、Flow3D和ProCAST等,法国的SIMULOR,芬兰的CASTCAE,瑞典的NOVAFLOW&SOLID,英国SOLSTAR,日本的ADSTEFAN,韩国的AnyCasting等。这些软件已经与实际生产结合起来,并在发达国家铸造企业中获得了较广泛的应用,取得了很好的经济效益,部分软件也已进入中国大型企业和科研院所。目前世界上主要商品化軟件的名称、国别、所采用的算法和分析内容、主要特点及适用范围见表1。
以上所介绍的目前国外优秀的铸件充型和凝固过程软件代表了当今世界铸造业计算机数值模拟的最高水平。可以看出,虽然这些软件它们各有特点,各有侧重,但基本都可以完成各种铸造合金包括砂型铸造在内的多种铸造方法下的充型过程分析、凝固过程分析、残余应力和变形分析以及铸件缺陷和性能预测等主要的分析内容。另外一些软件同时还可以进行铸件的微观组织及微观结构分析,这些也正是铸造工程这一研究领域将来发展的方向。
3.2铸造充型凝固过程模拟软件的应用
表1中所述软件已在欧美等发达国家的铸造行业中获得了较广泛的应用,并取得了显著的经济效益,其中部分模拟软件已进入中国大型铸造企业和重要的科研院所,如MAGMASoft,ProCAST,NO-VACAST等。同时国内的一些重点院校、研究所也开始进行了相关软件的开发,并取得了卓越成果,如由华中科技大学自主研究开发的用于进行铸造模拟的软件华铸CAE/InteCAST,已成功运用于实际生产,给企业带来显著的经济效益。另外,清华大学研发出的FT-STAR也用于实际生产,以及中国科学院金属研究所的IMR-3D等。目前,已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术,应用于实际生产。
美国所有的汽车生产厂家及约30%的铸造企业都在使用铸造充型凝固模拟软件,美国铸造厂家生产的铸件一半以上都采用了凝固模拟程序。日本的东北大学和大阪大学在这方面的研究具有世界先进水平,但日本铸造企业在软件的使用上落后于美国。日本全国1500家铸造企业中,只有150家应用凝固模拟软件优化铸件浇注系统。铸造充型及凝固模拟在英国、德国、法国、芬兰、瑞典和其他一些欧洲国家也得到了高度发展。德国的MAGMASoft软件已在世界上许多铸造企业中应用,法国Pechin-ey公司的SIMULOR因使用方便,也已在欧美国家的铸造厂家广泛采用。
4、结语
目前,铸件充型凝固过程数值模拟发展已进入工程实用化阶段,铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟,对于优化铸造工艺设计,降低铸件试制周期和费用,减少铸件缺陷,提高铸件质量具有非常重要的意义。另外,充型过程的计算机模拟结果还可为进一步的凝固过程的计算机模拟提供较准确的初始条件,这对铸造工艺的合理设定有着至关重要的意义。
参考文献:
[1]林庆合.铸件凝固过程数值模拟及工艺优化[D].山东:石油大学(华东),2003.
[2]刘金城.铸件计算机凝固模拟现状发展与前景[J].现代铸铁,2003(5):1-2.
[3]吴翠姑,李日,夏兴川,等.铸造CAE软件数据库研究综述[J].铸造,2008,57(2):110-113.
[关键词]铸件形成过程;计算机;数值模拟;发展及应用
中图分类号:TG250 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2019)09-0385-01
1、前言
由于产品质量预测在计算机上进行,并没有经过实际生产,因而可以节省大量的人力、物力、财力。尤其是新产品试制和大批量造型线生产的铸件,既方便快捷又有显著的经济效益。通过计算机数值模拟还可以使一直建立在生产经验基础上的旧铸造工艺设计从经验走向科学。
2、数值计算的基本理论
铸造过程计算机数值模拟技术是利用数值分析技术、数据库技术、可视化技术结合经典传热、流动及凝固理论对铸件成形过程进行仿真模拟,以模拟出铸件充型和凝固及冷却中的各种物理场、温度场,并据此对铸件进行质量预测的技术。这项技术可在制造工艺装备及浇注之前,综合评价各种工艺方案与铸件质量的关系,并在计算机屏幕上显示出铸造全过程,预测铸造缺陷,这就使得铸造工艺人员能够根据所存在的问题及时修改方案,从而获得合格铸件。
铸造过程的数值模拟涉及到充型过程和凝固过程的模拟,在进行凝固过程计算时假设铸型是瞬时充满的,这时只需计算温度场即可。当铸件壁很薄或充型时间和凝固时间差不多时,必须耦合充型过程流场模拟进行初始温度场计算,然后再进行凝固过程温度场模拟,而充型过程的流场控制是数值模拟最核心的问题之一,相对于凝固过程只涉及温度场来说,充型过程的模拟显得比较复杂和困难。这是由于充型不仅涉及到温度场还包含速度场、能力场的计算和模拟,属于计算流体学(CFD)范畴。其基本思想可以归结为:把原来在时间域和空间域上连续物理量的场,用一系列有限个离散点上变量值的结合来替代,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值。
数值计算中常用的离散方法主要包括:有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、边界元法(BEM)、有限体积法(FVM)和控制体积有限差分法(CV-FDM),一般来说针对不同的研究对象采用不同的数值模拟方法。在铸造过程数值模拟中,高温金属液的流动可以看成是粘性不可压缩牛顿流体的非稳态流动,一般采用k-ε双方程紊流模型和VOF方法来处理自由表面,通过求解流体在一段时间内运动的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程,并追踪流体表面的变化体积函数,得到液态金属充型的流动性,从而达到优化模具设计,预测铸造缺陷等目的。
3、铸造充型及凝固过程模拟软件的应用进展
通过计算机对铸造过程模拟,可以对铸件充型和凝固过程中的任一时刻、任一位置进行局部或整体性的透视观察,为铸造工艺人员制定合理的铸造工艺方案提供较为可靠的依据,从而省掉了传统的“编工艺-制模造型-试浇试铸-解剖铸件-修改工艺”的过程,大大缩短工艺试验周期,确保铸件质量,提高工艺出品率,降低生产成本和废品损失,提高企业的经济效益,对企业有极高的实用价值。
3.1铸造充型凝固过程模拟软件的发展
近几十年来,随着铸件充型凝固过程数值模拟技术的不断完善,相应用于分析铸件形成过程的商品化软件不断出现。这方面的第一个软件是在1989年,由德国Aachen大学SahmP.R.教授主持开发的MAGMASoft。之后很多商业化的软件不断涌现出来,目前许多发达国家都有自己的商业化模拟软件,如美国的AFSSolidificationSystem、Flow3D和ProCAST等,法国的SIMULOR,芬兰的CASTCAE,瑞典的NOVAFLOW&SOLID,英国SOLSTAR,日本的ADSTEFAN,韩国的AnyCasting等。这些软件已经与实际生产结合起来,并在发达国家铸造企业中获得了较广泛的应用,取得了很好的经济效益,部分软件也已进入中国大型企业和科研院所。目前世界上主要商品化軟件的名称、国别、所采用的算法和分析内容、主要特点及适用范围见表1。
以上所介绍的目前国外优秀的铸件充型和凝固过程软件代表了当今世界铸造业计算机数值模拟的最高水平。可以看出,虽然这些软件它们各有特点,各有侧重,但基本都可以完成各种铸造合金包括砂型铸造在内的多种铸造方法下的充型过程分析、凝固过程分析、残余应力和变形分析以及铸件缺陷和性能预测等主要的分析内容。另外一些软件同时还可以进行铸件的微观组织及微观结构分析,这些也正是铸造工程这一研究领域将来发展的方向。
3.2铸造充型凝固过程模拟软件的应用
表1中所述软件已在欧美等发达国家的铸造行业中获得了较广泛的应用,并取得了显著的经济效益,其中部分模拟软件已进入中国大型铸造企业和重要的科研院所,如MAGMASoft,ProCAST,NO-VACAST等。同时国内的一些重点院校、研究所也开始进行了相关软件的开发,并取得了卓越成果,如由华中科技大学自主研究开发的用于进行铸造模拟的软件华铸CAE/InteCAST,已成功运用于实际生产,给企业带来显著的经济效益。另外,清华大学研发出的FT-STAR也用于实际生产,以及中国科学院金属研究所的IMR-3D等。目前,已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术,应用于实际生产。
美国所有的汽车生产厂家及约30%的铸造企业都在使用铸造充型凝固模拟软件,美国铸造厂家生产的铸件一半以上都采用了凝固模拟程序。日本的东北大学和大阪大学在这方面的研究具有世界先进水平,但日本铸造企业在软件的使用上落后于美国。日本全国1500家铸造企业中,只有150家应用凝固模拟软件优化铸件浇注系统。铸造充型及凝固模拟在英国、德国、法国、芬兰、瑞典和其他一些欧洲国家也得到了高度发展。德国的MAGMASoft软件已在世界上许多铸造企业中应用,法国Pechin-ey公司的SIMULOR因使用方便,也已在欧美国家的铸造厂家广泛采用。
4、结语
目前,铸件充型凝固过程数值模拟发展已进入工程实用化阶段,铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟,对于优化铸造工艺设计,降低铸件试制周期和费用,减少铸件缺陷,提高铸件质量具有非常重要的意义。另外,充型过程的计算机模拟结果还可为进一步的凝固过程的计算机模拟提供较准确的初始条件,这对铸造工艺的合理设定有着至关重要的意义。
参考文献:
[1]林庆合.铸件凝固过程数值模拟及工艺优化[D].山东:石油大学(华东),2003.
[2]刘金城.铸件计算机凝固模拟现状发展与前景[J].现代铸铁,2003(5):1-2.
[3]吴翠姑,李日,夏兴川,等.铸造CAE软件数据库研究综述[J].铸造,2008,57(2):110-113.