铸造过程的多尺度模拟研究进展

铸造行业对国民经济的发展具有重要作用,但我国与国外有很大差距,严重制约着经济的发展。铸造成形加工技术的发展趋势之一是用计算机模拟仿真技术来逐步代替传统的经验性研究方法。计算机模拟技术已成为改造传统铸造产业的必由之路,在生产中得到了越来越广泛的应用。随着铸造过程宏观模拟技术的成熟,研究者们把目光转向了微观过程模拟与多尺度模拟。主要针对目前的研究热点和发展趋势作了阐述,特别是对新一代精确铸造充型凝固过程模拟、铸造过程的应力应变分析、微观组织的形成与演变及并行工程环境下的多尺度模拟仿真等方面的国内外最新进展进行了分析,同时重点介绍了我国在这方面的研究成果。     

铸件凝固过程数值模拟影响因素研究

对铸件凝固过程数值模拟影响因素及流程进行了研究。并采用华铸和ProCAST软件分别对轴承盖铸件凝固过程进行了分析及软件应用比较。根据凝固模拟的结果及铸造缺陷情况及其与实际浇铸的情况对比,得出了相应的铸型瞬时充满简化假设条件的有效性等结论。     

STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF MOLD-FILLING AND SOLIDIFICATION PROCESSES OF SHAPED CASTING

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基于网格的铸造凝固过程数值模拟系统

针对铸造凝固过程数值模拟技术存在的缺陷,研究了如何将计算机模拟技术与网格技术相结合,提供强大的网格计算服务,为企业节约生产成本.本系统采用了基于开放网格服务结构的网格体系结构和Globus3.0的网格工具包,构建了基于网格的并行模拟系统.     

铸造工艺计算机辅助设计研究进展

铸造工艺计算机辅助设计是用高新技术促进铸造学科发展的前沿领域,是当前铸造学科研究的热点。以凝固过程为核心内容的铸造工艺CAD已进入工厂实用阶段,为提高铸件质量发挥了重要作用,为铸造工业带来了显著的经济及社会效益。对铸件浇冒口系统的设计,实用的三维铸造凝固过程模拟分析软件,温度场、流场和应力场数值分析等方面的国内外研究进展进行了评述。同时指出计算机集成铸造技术将是今后的发展方向。     

SYSTEMATIC AND DYNAMIC PROPERTIES OF CASTING HOT SPOT

The variation of casting hot spot with proceeding of solidification and components of casting-mold system is studied by the technique of numerical simulation of solidification. The result shows that the thickest part of casting is not exactly the last part of solidification in the casting, while the last part of solidification is not exactly casting hot spot at the early stage of solidification. The location, size, shape and number of casting hot spot change with geomitric, physical and technological factors of the casting-mold system such as thickness of the casting secondary wall and with the passage of time in the course of the solidification. The former is known as the systematic property of hot spot and the latter, dynamic property. Only when the properties of hot spot are grasped completely and accurately, can it be fed more effectively. By doing so, not only sound castings can be obtained, but also riser efficiency can be improved.     

钢铸件冒口离开热节动态顺序凝固的研究

采用现场测温、正交试验现场浇注、计算机凝固数值模拟等方法,研究了铸钢件冒口位置与补缩特性的关系。结果表明：铸钢件冒口离开热节,放在近热节处,利用冒口根处形成接触热节和冒口补缩液的流通效应,实现动态顺序凝固的工艺原则是可行的。动态顺序凝固与传统几何顺序凝固相比,有利于防止收缩缺陷,提高铸钢件的致密度,提高冒口补综合效率,节约金属。     

强制风冷在大型铸钢件砂芯上的应用

通过活动横梁铸件简化模型研究了冷铁、自然风冷和强制风冷对厚壁回转体大型铸钢件凝固时间和砂芯温度场的影响。砂芯采用强制风冷铸件凝固时间最短,而采用冷铁不能缩短铸件凝固时间。通过对比不同冷却条件砂芯的温度场发现无强制冷却砂芯和冷铁砂芯分别在13 h和12 h出现热饱和现象,随后砂芯中心到铸件的温度梯度转为负值,砂芯向铸件输送热量;而砂芯采用自然风冷和强制风冷时从砂芯中心到铸件建立了正的温度梯度,能有效吸收铸件凝固期间释放的热量而改善其冷却条件;强制风冷对流换热系数高,冷却作用明显。对活动横梁铸件原始工艺改进,砂芯采用强制风冷;模拟结果与原始工艺相比缩孔位置上移,表明冒口补缩能力增强;同时砂芯实测温度场与模拟温度场相吻合,验证了模拟结果的可行性,由于砂芯在高温热作用下的时间短,经改进工艺所生产的活动横梁铸件中心孔表面无机械粘砂。     

复合金属型模具群铸磨球工艺早期失圆机理的数值分析

在对铸造磨球凝固过程进行理论分析的基础上,利用华铸CAE软件对复合金属型模具群铸磨球工艺进行充型凝固特性三维数值模拟研究,确定了造成磨球出现早期失圆和缩松缩孔缺陷的主要原因,为进一步改进复合金属型模具群铸磨球工艺奠定了理论基础.     

铝合金铸件疲劳寿命预测和累积损伤评估

建立在铝合金铸件中微观孔洞演化的数学模型，并讨论含孔洞铝合金铸件的材料模型。具有微观孔洞的铝合金铸件可以作为含损伤的材料，采用损伤度作为描述材料损伤的变量。应用含损伤的弹性材料本构关系，分析铝合金阶梯型含损伤铸件的力学性能和疲劳寿命。应用Gurson模型和屈服条件，评估铝合金铸件源于微孔洞的累积损伤及对材料塑性变形行为的影响。初步建立铸件疲劳寿命模拟分析系统。该系统包括铝合金铸造凝固过程模拟模块和疲劳寿命分析模块。     

套类铸钢件凝固特性的数值模拟

用数值模拟法研究了不同壁厚、不同内径的套类铸钢件在普通砂型铸造条件下的凝固时间分布规律和凝固系数的变化,有助于认识此类铸件凝固特性和热节位置,对防止成形过程中产生收缩缺陷十分必要。     

铝合金轮毂压铸件溢流槽CAE分析

目前汽车产业生产的许多零部件,都在朝着轻量化方向发展,压铸是一种重要的生产方法。根据铝合金浇注系统的设计原理,以ADC12铝合金压铸轮毂为研究对象,用MAGMAsoft软件进行模流分析,研究在不同浇注系统的溢流槽下,铝合金熔融金属的额流动分布及凝固过程,预测填充过程中有可能发生的缺陷的地方或现象,讨论在不同的设计下的结果,发现恰当的溢流槽结构设计可以减少熔体流动流纹及卷气,同时熔体的整体空气压力也较小,这对压铸模设计具有一定的指导意义。     

RT工艺凝固过程中铸件尺寸精度的热力耦合分析

保证精密铸造中铸件的几何尺寸精度是ＲＴ工艺中十分关键的技术环节。论述了铸造凝固过程分析中的非线性及热力耦合问题,采用热力耦合分析的方法对典型件凝固过程的尺寸精度进行了分析,数值分析结果与实验结果吻合;并将其应用于汽车覆盖件凹模尺寸精度的分析,数值分析结果与实际铸件吻合。证实对铸件／铸型边界模型进行的处理、对有限元分析的时间步长及收敛准则的选取,以及采用热力耦合的分析方法对ＲＴ工艺凝固过程中铸件尺寸     

凝固过程应力场模拟技术在大型铸钢件中的应用

基于FDM／FEM方法，对某水轮机下环铸件的整个铸造过程中的热应力进行了模拟计算。模拟中采用接触单元法处理铸件与砂芯之间力的作用，改进了传统的铸件／铸型边界条件处理方法。根据应力场模拟结果，分别采用不同的判据，对铸件整个凝固、冷却过程中的热裂和冷裂倾向性进行了预测。揭示了铸件从凝固到冷却至室温的变形规律，为控制铸件收缩尺寸提供了参考。实际生产结果与预测结果相吻合。     

钢锭模初始温度对钢锭凝固的影响

采用铸造模拟软件ProCAST,系统研究钢锭模初始温度对96 t钢锭凝固过程的影响,具体包括钢锭的完全凝固时间、缩孔缩松和夹杂上浮时间等。结果表明：随着钢锭模初始温度的提高,完全凝固时间逐渐增长,在所研究范围内对缩孔缩松和夹杂物可上浮时间影响不显著。     

汽车缸套离心铸造凝固数值模拟研究

建立汽车缸套离心铸造凝固过程的数学及物理模型,对汽车缸套离心铸造的凝固过程进行数值模拟,得到汽车缸套离心铸造过程中的温度场、液固相分布及缩孔缩松状况。结果表明:采用数值模拟分析能够使汽车缸套的高速、高温、复杂的卧式离心铸造过程可视化,并可方便地通过改变铸造参数来分析对铸造效果的影响;合适的铸型转速会对充型产生较大的影响,过小则会产生雨淋现象,过大则会使充型不连续;为减少铸件外表面及端面与内表面中心部分凝固速度的差距,可以适当提高铸型的预热温度。     

基于ProCAST的汽车缸套离心铸造数值模拟研究

建立了汽车缸套离心铸造凝固过程数值分析的数学及物理模型,阐述了离心铸造凝固的数值模拟方法,求解得到了汽车缸套离心铸造过程中的温度场、液固相分布及缩孔缩松状况。总结了汽车缸套的一般凝固规律,为汽车缸套的铸造工艺优化设计提供了数值依据。     

Prediction of solidification time during solidification of aluminum base alloy castings cast in CO2-sand mold

Solidification of molten metals during various casting methods poses many practical problems associated with phase transformation and heat transfer processes. Evaluation of solidification time is one of the very important parameters used for assessing the properties of the material. In the present study, experimental investigation was carried out to measure the solidification time in a cylindrical hollow casting cast in CO₂-Sand molds and the same has been compared with the results obtained through computed by using an implicit alternating direction (IAD) method, including the treatment of interfacial nodes between metal and mold, and boundary nodes at the mold surface. Aluminum-4.5% copper alloy has been used. Computed cooling curves at various locations and temperature distributions in core-metal-mold were presented. The results shows that the solidification time obtained by experimental study compares well with the one predicted by the analysis made through IAD modeling. A successful comparison with reported experimental results shows that the technique is appropriate for simulation of solidification process of aluminum castings.     

铸造CAD／CAE系统研究及应用

以Pro／E生成铸件三维模型（包含铸造工艺信息），基于MAGMAsoft进行凝固过程数值模拟，以便校核和优化工艺设计。根据模拟结果，找出了铸件铸造缺陷产生的原因，并通过修改工艺参数对工艺进行了改进和优化，制定出了合理的工艺方案。     

消失模铸造充型与凝固过程的计算机仿真

根据消失模铸造液态金属充型及液态金属—模样界面的推进机制,提出了充型过程界面推移位置的人工神经网络算法。根据计算得出的界面位置,用SOLA算法计算了充型过程中液态金属的流场,并耦合计算了充型过程中的温度场。根据计算得到的充型结束时铸件及铸型温度场,求解三维导热微分方程,计算了铸件凝固过程的温度场。结合消失模铸造型壁移动的规律,预测了球墨铸铁件消失模铸造的收缩缺陷。计算模拟结果与充型过程实际测试结果及铸件解剖结果一致。