浅析铸造过程模拟仿真技术

经过几十年的发展，铸造过程数值模拟技术取得了巨大进步，对实际生产产生了重要作用。介绍了铸造过程数值模拟的研究方向及其基本理论，例如，充型过程数值模拟、凝固过程数值模拟、应力场数值模拟、微观组织的数值模拟以及模拟技术发展趋势。     

铸造计算机模拟仿真技术现状及发展趋势

从已实用化的技术和正在发展中的技术两方面介绍了铸造计算机模拟仿真技术的现状。典型的应用案例表明,凝固过程传热模拟、充型过程流动场模拟、流动与传热耦合等模拟技术已进入实用化阶段,在不同的铸造方式如重力、低压、压铸等以及不同的合金如铸钢、铸铁、有色合金的铸件生产中都得到了很好地应用。应力应变、组织性能以及其他方面如气化模、射芯、偏析、熔炼及热处理等方面的模拟仿真技术也正处于积极发展中。结合铸造业的实际需求,指出了高精度缺陷定量预测技术、热物性参数及反求技术、智能化铸造工艺设计与优化技术,以及铸造全过程模拟仿真及与铸造数字化管理技术的融合,是铸造计算机模拟技术的发展趋势。     

铸造过程三维计算机模拟

作者开发了一个以优化铸造设计和提高铸造收得率为目的的计算机三维模拟系统。该三维模拟系统包括前处理部分和后处理部分。前处理部分在建立三维初始形状后,能自动地将几何图形分成六面体网格单元。后处理部分通过最简的输入,彩色显示出计算结果。为降低计算费用和减少内存,使用了线性插值、显式有限差分法数值解析热平衡方程,直接采用不同的时间步长计算每个单元的温度,进而开发出一种定量预测缩孔缩松的方法。该方法假设一临界固相率来决定液态金属的补缩条件。在固相率低于(或者高于)该临界值的区域则相应地产生缩孔(或缩松)。在固相率高的区域,固相率梯度成为控制补缩驱动力的关键参数。而固相率低的区域,依靠重力作用就能顺利地实现补缩。模拟预测的缩孔缩松分布与铸钢件的试验结果吻合良好。另外,还介绍了一些实际铸件浇冒口优化设计的实例。     

铸造过程计算机数值模拟技术

论述了发展铸造过程计算机数值模拟技术的意义,介绍了该项技术的基本原理,回顾了这项技术在国内外的发展概况,并对铸造过程计算机数值模拟技术的发展趋势进行了探讨     

模拟对比分析消失模铸造与普通铸造充型过程

利用数值模拟技术,分析对比了四种铸件消失模铸造和普通空腔铸造充型过程的差异,以及流动进程中的温度场分布的差别。结果表明,消失模充型顺序与普通空腔铸造充型顺序大为不同,消失模流动过程的热量损失较普通空腔铸造热量损失大得多。同时发现,在消失模铸件表面容易因残余泡沫而造成表面渣气孔,实际铸件的表面质量也证明了这一点。针对消失模的这些特点提供了改进工艺的实例。     

消失模铸造充型过程的数值模拟

通过建立适用于消失模铸造充型及传热过程的数学模型和边界条件，实现了液态金属在浇注系统和铸型内动量传递和热传递的数值模拟计算。模拟分析普通砂型铸造和消失模铸造充型差异表明，聚苯乙烯热解气体的反压阻力决定了消失模铸造充型过程不同于普通砂型铸造，表现为液态金属按所抵达的内浇口顺序依次注入型腔。通过模拟计算可预测冷隔产生位置，实现消失模铸造工艺优化设计。     

铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究

宏观偏析普遍存在于铸造合金凝固过程中,严重影响了材料的使用性能。本文利用宏观偏析数学模型,分别对53 t钢锭和500 t铸件宏观偏析进行数值模拟研究。模型考虑了凝固收缩与等轴晶沉降,模拟结果和实验结果吻合较好。     

铸造过程数值模拟中的网格技术

网格技术是铸造过程数值模拟技术的重要组成部分,是实现铸造过程数值模拟的瓶颈,其发展对于数值计算效率和计算精度的提高起着不可估量的作用。本文主要对铸造过程数值模拟中生成网格时所依赖的数值算法和以网格的构造特点为基础的网格分类进行了总结,着重阐述了适体网格技术在铸造过程数值模拟中的发展及其应用,并对铸造过程数值模拟中网格技术的进一步研究发展进行了展望。     

半固态铸造充型过程数值模拟研究新进展

对近期国内外半固态铸造充型过程数值模拟的研究成果进行了系统综述,包括数值模拟的计算方法,流变模型的研究进展以及数值模拟的应用现状,展望了未来半固态铸造充型过程数值模拟研究的发展方向。     

气化模铸造充填过程的三维数值模拟

本文在分析气化模充型的传热、传质规律的基础上，提出了一套完整的充填三维数学模型，由于模型中未考虑金属液通过干砂型时散失的热量，所以本模型对中、小件进行模拟更为合理。同时开发了适用于微机的充填过程模拟软件，准确，合理地对气化模充过程进行计算机模拟。     

门框底衬铸钢件的铸造工艺设计及数值模拟

运用传统方法设计了门框底衬铸钢件的铸造工艺:包括分型面、浇注位置的选择、铸造工艺参数的确定以及浇注系统、冒口、冷铁的设计.根据铸件形状较复杂的特点,设计了两个内浇道;将铸件划分为4个补缩区域进行补缩,并配合冷铁来实现铸件的顺序凝固.用Pro/E软件建立了铸件的三维模型,采用ViewCast铸造模拟软件对铸件的凝固过程进行了模拟计算.模拟结果显示,在门框底衬凸台处会产生缩孔、缩松缺陷.根据数值模拟结果并结合理论分析,对铸造工艺方案进行了优化.通过改进工艺,最大程度地消除了铸造缺陷,从而获得了合理的铸造工艺方案.     

铸钢后桥V法铸造数值模拟及工艺优化

运用ViewCast模拟软件对某铸钢汽车后桥V法铸造的凝固过程进行了数值模拟,预测了原工艺方案所产生缩孔、缩松缺陷的位置和大小。根据模拟结果,对原工艺方案进行了改进,增设横浇道和冷铁,铸件实现了顺序凝固,消除了缩孔、缩松缺陷,从而获得了合理的铸造工艺方案并通过工厂的生产验证。     

核电站爆破阀阀体的铸造工艺

为研究爆破阀铸件的铸造工艺,分析了阀体的铸造技术难点,设计了冒口和冷铁及浇注系统,并结合数值模拟优化了工艺方案,确定了型砂工艺、熔炼浇注工艺、热处理和焊补处理等控制措施。实际生产结果表明,爆破阀阀体的化学成分、力学性能和无损检验结果,以及铸件的外观尺寸均达到技术指标要求,充分说明了所设计的铸造工艺是合理有效的。     

圆锥破碎壁的铸造工艺与模拟

为提高ZGMn13圆锥破碎壁锰钢铸件的耐磨性,减少缩松、缩孔及裂纹等缺陷,对原工艺的浇注系统、冒口等进行改进。利用procast软件对铸件充型和凝固过程进行数值模拟并验证改进后的工艺,对模拟结果进行分析。结果证明,改进后的工艺提高了产品质量,减少了铸件缺陷。     

核三级余热排出泵的铸造工艺设计

介绍了核电三级余热排出泵的材料要求和零件结构,采用模数法设计并计算冒口,使用铸造数值模拟软件Viewcast进行充型、凝固模拟分析,验证浇注系统、冒口和冷铁的尺寸及具体位置,保证铸造工艺设计的正确性和准确性,确定铸造工艺设计的实施方案.通过加强余热排出泵铸造生产中工序环节的控制,最终得到符合标准要求的高质量铸件.     

数值模拟在铁路养路机械铸件工艺优化中的应用

介绍了华铸CAE铸造工艺分析软件在铁路大型养路机械中的应用.通过车轴齿轮箱下箱体及滑道的实际生产试验,成功预测了铸造缺陷,采取优化浇注系统及补缩系统设计后,消除了缩孔、裂纹等铸造缺陷.据不完全统计,材料的利用率提高了15％～20％,新产品试制周期缩短40％～60％,生产成本减低30％～40％.     

连铸坯凝固过程的数值模拟研究

研究了拉速和过热度相关工艺参数对铸坯温度场的影响规律,利用Fluent软件模拟石油套管用钢37Mn5铸坯的连铸凝固过程,分析了连铸坯凝固传热过程的温度场。讨论了不同过热度和拉坯速度条件下铸坯温度场的分布情况。总结了连铸圆坯凝固过程的传热特点,优化了工艺参数。结果表明,优化后的工艺参数可以指导生产实践。     

35MN快锻机立柱的铸造工艺设计

介绍了35 MN快锻机立柱的铸造工艺方案.利用铸造模拟软件ProCAST对铸件进行了充型与凝固过程的数值模拟.基于模拟结果,确认了浇冒口系统与外冷铁设置的合理性,并最终获得了合格的铸件产品.