（機(jī)械工程專業(yè)論文）內(nèi)燃機(jī)鑄件質(zhì)量分析及凝固模擬.pdf

昆明埋t 犬學(xué)碩士學(xué)位論文 捕監(jiān) 摘要 本文敘述了鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究概況 指出了我國在鑄 造過程數(shù)值模擬方面與國外存在的差距 分析了選擇本課題的依據(jù) 目的和意 義 在一般鑄件溫度場數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上 采用g j r 法并結(jié)合熔池孤立域的 動態(tài)劃分技術(shù)對凝固過程中可能出現(xiàn)的縮松縮孔進(jìn)行了數(shù)值模擬 對于熱裂的 預(yù)測 以鑄造合金流變行為的熱裂判據(jù)為數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行預(yù)測 文章詳細(xì)介紹了云內(nèi)動力生產(chǎn)的4 i o o q b 柴油機(jī)缸體鑄件的生產(chǎn)裝蓊和鑄 造工藝 并根據(jù)生產(chǎn)幾年來缸體鑄件的鑄造缺陷廢品率數(shù)據(jù) 用統(tǒng)計(jì)分析的方 法 對影響缸體鑄件質(zhì)量的因素進(jìn)行了分柝 指出其主要影響因素是掉砂和氣 孔缺陷 并有針對性地對其采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制 取得了一定的效果 鑄造過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真技術(shù)已成為當(dāng)今材料成形加工領(lǐng)域的學(xué)科 前沿 如何利用計(jì)算機(jī)凝固模擬技術(shù)來提高鑄件質(zhì)量昵 本文選擇云內(nèi)動力t 三 產(chǎn)的4 l o o q b 柴油機(jī)的缸體 離合器殼體鑄件 采用其現(xiàn)行的生產(chǎn)工藝和鑄造 工藝 利用其三維模型 對其進(jìn)行了凝固過程溫度場數(shù)值模擬計(jì)算 將計(jì)算結(jié) 果與現(xiàn)行生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行了對比 二者基本吻合 這也同時驗(yàn)證了現(xiàn)行生產(chǎn)t 藝 和鑄造 藝是比較成熟的 本文所討論的內(nèi)容 對應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬鑄件凝固過程中的溫度場 預(yù)測鑄 件在凝固過程中的縮松縮孔及熱裂傾向 提供了一定的理論基礎(chǔ) 對企業(yè)如何 利用計(jì)算機(jī)凝固模擬技術(shù)來改進(jìn)和優(yōu)化鑄造工藝 提高鑄件產(chǎn)品質(zhì)量 縮短新 產(chǎn)品試制周期 降低生產(chǎn)成本 提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有一 定的現(xiàn)實(shí)意義和理 論指導(dǎo)意義 關(guān)鍵詞 鑄造工藝內(nèi)燃機(jī)鑄件質(zhì)量分析數(shù)值模擬溫度場 墾豎型d 三盔蘭塑主簍垡堡苧 塹 矍 a b s t r a c t t h e p r e s e n ta r t i c l es t a t e dt h eg e n e r a ls i t u a t i o no f s t u d yo nn u m e r i ce m u l a t i n g t e c h n o l o g yf o rf o u n d r yp r o c e s sb yc o m p u t e rb o t hh e r ea n da b o a r d p o i n t e do u tt h e m i s sd i s t a n c eo ft h es t u d y0 nt h i sa s p e c tb e t w e e nc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e sa n d a n a l y z e dt h ef o u n d a t i o n p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j c o t o nt h eb a s i so ft e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i ce m u l a t i n ga n dc o m b i n i n gw i t h d y n a m i cd i v i d i n gt e c h n o l o g yo fm e l t i n gp o o li s o l a t e dr e g i o n t h i sa r t i c l eu s e d g 4 rm e t h o dt op r e d i c tp o s s i b l es h r i n k a g e sa n dd i s p e r s e ds h r i n k a g e st h a tm a y a p p e a ri ns o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h i sa r t i c l eg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h em a n u f a c t u r ee q u i p m e n ta n d f o u n d r yt e c h n o l o g yo f 4 1t o o q sd i e s e l so f y u n n e i d o n g l i a n a l y z e dt h ef a c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ec y l i n d e rc a s t i n gq u a l i t yt h r o u g hs t a t i s t i cm e t h o da c c o r d i n gt o r e j e c t i o nr a t i od a t ao fc y l i n d e rb o d ya c q u i r e df r o mt h ep r o d u c t i o no fp a s ts e v e r a l y e a r s p o i n t e do u tt h a tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa r es a n dd r o p p i n ga n db l e b sa n d t o o kc o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st oc o n t r 0 1t h e mr e s p e c t i v e l ya n dg o ts o m eg o o d r e s u l t s c o m p u t e rn u m e r i ce m u l a t i n gt e c h n o l o g yf o rf o u n d r yp r o c e s sh a sb e e n r e c o g n i z e da ss u b j e c tv a n g u a r di nt h em a t e r i a lf o r m i n gf i e l dn o w a d a y s h o wt ou s e t h i st e c h n o t o g yt oi m p r o v ec a s t i n gq u a l i t yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h i sa r t i c l ec h o s et h ec y l i n d e rb o d yc a s t sa n dc l u t c hh o u s i n gc a s t sa ss t u d yo b j e c t s a d o p t e dt h e i rc u r r e n tp r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n df o u n d r yt e c h n o l o g y c a l c u l a t e d t h e i rt e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s s t h e nw ec o m p a r e dt h e c a l c u l a t i n gr e s u l t st ot h ec u r r e n tp r o d u c i n gr e s u l t sa n df o u n dt h e yw e r ea l m o s tt h e s a m e t h i sa l s ov e r i f i e dt h a tt h ec u r r e n tp r o d u c i n gt e c h n o l o g ya n df o u n d r y t e c h n o l o g ya r em a t u r e t h ec o n t e n t sd i s c u s s e di nt h i sa r t i c l es u p p l i e ds o m et h e o r e t i c a lb a s i sf o rh o w t op r e d i c tt h et r e n do fs h r i n k a g ep o r o s i t y s h r i n kh o l ea n dh e a tc r a c k i n go fc a s t s d u r i n gs o l i d i f i c a t i o nb yu s i n gc o m p u t e rt os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l d sd u r i n g 昆叫理1 二入學(xué) 0 j 一學(xué)位論文 招j鯉 c a s t ss o l i d i f i c a t i o n a n dc o u l db eu s e da st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e f e r e n c e1 0 r e n t e r p r i s e st og e tas o l u t i o n f o rh o wt oa d o p tc o m p u t e rs o l i d i f i c a t i o ne m u l a t i n g t e c h n o l o g yt oi m p r o v ea n do p t i m i z ef o u n d r yt e c h n o l o g y i m p r o v e c a s tq u a l i t y s h o r t e nt r i a l p r o d u c i n gp e r i o do fn e wp r o d u c t s r e d u c ep r o d u c ec o s ta n di m p r o v e e n t e r p r i s e s e c o n o m i cb e n e f i c i a lr e s u l t s k e y w o r d f o u n d r yt e c h n i q u e n u m e r i ce m u l a t i n g d i e s e lc a s t i n g q u a l i t ya n a l y s e s t e m p e r a t u r ef i e l d 昆明理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所皇交麴掌位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行 研究工作所取得的成果 獠囊中e 經(jīng)注曉引闌的內(nèi)譬外 本論文不合 任何其他個人或集體己經(jīng)蔑豢躐撰寫過酶研究成果 對本文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個人和集體 構(gòu)巴在論文中作了明確韻說明并表示了謝 意 本聲明的法律鱔果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名 j 簪衫擊 日期 2 0 0 4 年1 1 月1 0 臼 r 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解昆明理工大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 學(xué)校有權(quán)保留 送交論文的復(fù)印件 允許論文被查閱 學(xué)?？梢怨?論文的全部或部分內(nèi)容 可以采用影印或其他復(fù)制手段保存論文 保密論文在懈密后應(yīng)遵守 導(dǎo)師簽名 受送煎t 論文作者簽名 罐彩毛 日期 2 0 0 4 年1 1 月1 0 日 昆 i j 埋1 大學(xué)碩卜學(xué)位論文 第 壯绱渺 1 1 選題的背景及意義 第一章緒論 鑄造行業(yè)是一個古老而又非常重要的傳統(tǒng)行業(yè) 具有數(shù)千年的歷史 無論過去還是 現(xiàn)在 無論發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家 鑄造行業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起著十分重要的作用 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì) 鑄件 按重量計(jì) 在機(jī)床 內(nèi)燃機(jī) 重型機(jī)器中占7 0 9 0 農(nóng)業(yè)機(jī) 械中占4 0 7 0 此外 在冶金工業(yè) 能源工業(yè)的水電站 火電站與核電站 航空 航 天等產(chǎn)業(yè)部門都發(fā)揮著重要作用 3 2 3 6 3 8 1 鑄造技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展而獲得了巨大發(fā)展 但我國鑄造行業(yè)的 技術(shù)水平與國外相比有較大差距 它嚴(yán)熏制約著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 我國鑄件年產(chǎn)量已 超過1 0 0 0 萬噸 居世界第二 但其中高性能 優(yōu)質(zhì)鑄件的比例只占2 0 7 麗美國已占 4 0 7 1 9 9 8 年統(tǒng)計(jì) 精密鑄件比例只占2 而美國已占1 3 1 9 9 4 年統(tǒng)計(jì) 又如 服務(wù)予航空 航天工業(yè)的精密熔模鑄造業(yè) 全世爨銷售額為5 2 3 億美元 其中美國為2 4 8 億獎元 占4 7 4 而中國僅1 8 億美元 只占3 4 另外 我國鑄件蓖量平均比國外重 1 0 2 0 勞動生產(chǎn)率低5 8 倍 而能耗高2 倍 再以汽車發(fā)動機(jī)缸體鑄件為例 我豳 生產(chǎn)的發(fā)動機(jī)缸體鑄件平均壁厚為5 5 6 o m m 而國外只有3 5 4 5 m m 我國的轎車生產(chǎn) 已有十多年歷史 但目前發(fā)動機(jī)鑄鐵缸體質(zhì)量仍然是關(guān)鍵技術(shù)問題 鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真是鑄造學(xué)科發(fā)展的前沿領(lǐng)域 是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn) 業(yè)的重要途徑 經(jīng)歷了數(shù)十年的努力 鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真發(fā)展已進(jìn)入工程 實(shí)用化階段 鑄造生產(chǎn)正在由憑經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)理論指導(dǎo) 鑄件充型凝固過程的數(shù)值模擬 可以幫助工作人員在實(shí)際鑄造前對鑄件可能出現(xiàn)的某些缺陷及其大小 部位和發(fā)生的時間 予以有效的預(yù)測 在澆注前采取對策以確保鑄件的質(zhì)量 縮短試制崗期 降低生產(chǎn)成本 計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)使得這一夢想成為現(xiàn)實(shí) 昆明理工大學(xué)礬士學(xué)位論文 第 章緒論 1 2 用計(jì)算機(jī)技術(shù)改造傳統(tǒng)鑄造行業(yè) 1 2 1 鑄造過程計(jì)算祝數(shù)僚模擬的國內(nèi)外研究概況 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展 計(jì)算機(jī)在鑄造中的應(yīng)用越來越廣泛 6 0 年代初 j j 麥 的f o r s u n d 把d u s i n b e r r e 等人在工程應(yīng)用中提出的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過 程的傳熱計(jì)算 開始了鑄件凝固的過程模擬 此后 美國m i c h i g a n 大學(xué)的m a n o n e 等人 以及日本的大中逸雄等相繼開始了凝固過程模擬 并取得了顯著的進(jìn)步 在第5 0 屆國際 鑄造年會舉辦的 凝固過程計(jì)算機(jī)模擬 專題討論會上 深入討論了鑄件凝國過程數(shù)值模擬 在研究微觀組織結(jié)構(gòu)和鑄件性能等方面的應(yīng)用 總結(jié)了凝固過程模擬所依據(jù)的 系列關(guān)系 式 并設(shè)想利用這些關(guān)系式將幾何模數(shù) 凝固參數(shù) 合金性能及微觀組織參數(shù)等有機(jī)地聯(lián) 系起來 并提出了鑄造工藝c a d 的概念 我國從1 9 7 8 年開始開展鑄件凝固數(shù)值模擬研 究 十多年來的研究已形成了我國凝固模擬技術(shù)研究的特色 鑄件凝固數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展至今可分為3 個階段 a 基礎(chǔ)研究階段 著重于計(jì)算模 擬 b 預(yù)測研究階段 對擬定好的工藝方案進(jìn)行檢查 以預(yù)測質(zhì)量 并通過模擬澆注柬 修改方案 c 優(yōu)化工藝設(shè)計(jì) 包括計(jì)算模擬 幾何模擬及數(shù)據(jù)庫 并使之有機(jī)結(jié)合起來 有時把這3 個階段綜合稱為鑄造工藝c a d 有時又特指為第三階段 目前就國外而言 鑄造工藝c a d 正處在第三階段 因此 在實(shí)際研究中鑄造工藝c a d 應(yīng)包括4 個部分 即 凝固過程數(shù)值模擬 熱場模擬 充型過程數(shù)值模擬 流場模擬 熱應(yīng)力及殘余熱應(yīng) 力數(shù)值模擬 力場模擬 和微觀模擬 組織模擬 i 2 i 1 鑄件充耍 過程數(shù)值模擬 3 鑄造生產(chǎn)的實(shí)質(zhì)就是直接將液態(tài)金屬澆入鑄型并在鑄型中凝固和冷卻 進(jìn)而得到鑄 件 液態(tài)金屬的充型過程是鑄件形成的第一個階段 許多鑄造缺陷如卷氣 夾浚 澆不足 冷隔及砂眼等都是在充型不利的情況下產(chǎn)生的 因此對充型過程進(jìn)行數(shù)值模擬非常必要 目前研究多數(shù)以s o l a v o f s o l u t i o n a l g o r i t h m 法為基礎(chǔ) 引入體積函數(shù) v o i u m eo f f u n c t i o n 處理自由表面 并在傳熱計(jì)算和流量修正等方斷進(jìn)行研究改進(jìn) 有l(wèi) 勺研究在對 層流模型進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后 用k e 雙方程模型模擬鑄件充型過程的紊流現(xiàn)緣 目前 雖然已研究了許多算法 如并行算法 三維有限單元法 三維有限差分法 數(shù)值算法與解析方法混合的算法等 但是到現(xiàn)在仍然沒有找到最好的算法 各神算法務(wù)有 昆剛j 理1 入學(xué)碩士學(xué)位論文第犟緒論 優(yōu)劣 應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)各不相同 在提高計(jì)算速度方面 j d 2 h u 等曾提出了 種基于d f d m 的算法 對于規(guī)模為一百萬單元 鑄侔單元3 0 0 0 0 0 豹系統(tǒng)可減少存儲鼙8 0 m b 常用的網(wǎng)格是矩形單元 2 d 或醞交的平行六面體單元 3 d 不過日本的i o h n a k a 等人提出了一種新的網(wǎng)格劃分方法 即無結(jié)構(gòu)非正交網(wǎng)格 這種技術(shù)是通向較高精度充型 模擬的可能途徑之一 目前砂型鑄造的充型模擬研究在鑄造過程計(jì)算機(jī)模揪中占主胃地位 然而消失模鑄 造 金屬型鑄造等充型模擬的研究工作也已經(jīng)開始 當(dāng)前關(guān)予充型的一個旋展趨勢是輔助 設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng) 因?yàn)槟M的最終目的就是為了輔助設(shè)計(jì) r m c d a v i d 和j d a n t z i g 在這方 面進(jìn)行了嘗試 并取得了一定的成果 1 2 1 2 縮松縮孔預(yù)測的數(shù)傣模擬 1 州6 1 3 蜘m 1 金屬凝固是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程 是由包括熱量傳輸 動量傳輸 質(zhì)耋傳 輸及相變等一系列過程耦合而來的 鑄件凝固過程數(shù)值模擬是鑄造c a d c a e 的核 b 內(nèi)容 其最終目的是優(yōu)化工藝設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)鑄件質(zhì)量預(yù)測 其中 在溫度場模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮孔 縮松的預(yù)測是其中的 項(xiàng)重要內(nèi)容 鑄件縮孔 縮松形成的模擬預(yù)測是控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量的重要手段之一 也是鑄件充 型凝固過程數(shù)值模擬軟件的主要功能之一 目前國內(nèi)外常用的凝固模擬軟件中均提供了多 種判據(jù)用于鑄件縮孑l 縮松預(yù)測 但是 目前大多數(shù)判據(jù)均是用于鑄鋼件或不含石墨的鑄 造合金時比較有效 由于含石墨鑄鐵在凝固時要析出體積較大的石墨 因此鑄鐵在凝固時 的體積變化較鑄鏹等復(fù)雜得多 必須采用專用筍4 據(jù) 鑄鋼傳縮孔 縮松預(yù)測判據(jù)經(jīng)過多年的發(fā)展 從最初的定性的溫度場熱節(jié)法 發(fā)鼴 劉后來的e n i y a m a 提出的g r 法 再到后面的各種定量預(yù)測方法 無論是從預(yù)測精度 還是使用范圍來看 均達(dá)到了較高的水平 可以有效地預(yù)測鑄件中的縮孔 縮松 為優(yōu)化 鑄造 藝 降低鑄件陵品率提供了可靠的保證 而鑄鐵件 特別是球墨鑄鐵件縮孔 縮松的預(yù)測一直缺乏可靠有效的判掘 1 9 9 4 年 李襄榮等在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了 種定量預(yù)測球墨鑄鐵件縮孔 縮松的判撮 該判掘 考慮了化學(xué)成份 鑄型鋼度等的影響 隨后 李文珍等基于球墨鑄鐵微觀模擬模型提出了 球疆鑄鐵件縮孔 縮松定量預(yù)測判據(jù) 國外也有一些研究工作者提出了定量計(jì)算球墨鑄鐵 件凝圍過程中體積變化的模型 目前 球墨鑄鐵縮孔 縮松頸測方法已部分投入實(shí)用化 8 昆l l j 理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 掉一章緒論 1 2 1 3 應(yīng)力場數(shù)值模擬 6 1 3 州 3 鑄造過程應(yīng)力場的模擬計(jì)算能夠幫助鑄造工作者預(yù)測和分析鑄件裂紋 變形及殘余應(yīng) 力 為控錆4 應(yīng)力應(yīng)變造成的缺陷 優(yōu)化鑄造工藝 提高鑄件尺寸精度及穩(wěn)定性提供科學(xué)依 據(jù) 國外有關(guān)鑄件應(yīng)力分析及變形模擬研究的主要特點(diǎn)是 1 多數(shù)采用熱一力耦合的模 型來模擬鑄件凝固過程中的物理過程變化現(xiàn)象 包括傳熟 傳質(zhì) 應(yīng)力及缺陷形成等 許 多研究是先預(yù)測鑄件中的應(yīng)力及砂型和鑄件的氣隙 并由此計(jì)算界面熱阻 反過來再進(jìn)行 熱分析 還有一些研究是把熱分析 流體流動和應(yīng)力分析等結(jié)合起來 同時進(jìn)行模擬充型 過程 預(yù)測變形 預(yù)測縮孔 預(yù)測熱裂及應(yīng)力分析和殘余應(yīng)力的計(jì)算 2 應(yīng)力分析采用 的模型有熱彈塑性模型 熱彈粘塑性模型 熱彈性模型及彈性 理想塑性模型等 這些模 型都屬于熱彈粘塑性的范疇 采用的模擬方法多為有限元法 也有人采用有限體積法 控 制有限體積有限差分法等 關(guān)于熟一力耦合分析的許多研究都采用商品化的軟件包如 a b a q u s c a s t s a n s y s 及p h y s i c a 等 關(guān)于應(yīng)力分析中邊界條件的改進(jìn) 由 卜砂 型與鑄件之間力的相互作用 而且砂型并非剛性 因此多采用接觸單元算法 在國內(nèi) 大連理工大學(xué)及清華大學(xué)均進(jìn)行了這方面的研究 在對鑄造應(yīng)力進(jìn)行模擬 分析時 由于應(yīng)力變形做功引起的熱效應(yīng)同溫度變化和凝固潛熱釋放的熱效應(yīng)相比可忽略 不計(jì) 故一般鑄造過程的熱分析和應(yīng)力分析可單獨(dú)進(jìn)行 只需將溫度變化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫 度載荷加入應(yīng)力分析中即可 應(yīng)力場數(shù)值模擬雖然取得了一定的進(jìn)展 但撼體還處于初步研究階段 離實(shí)際應(yīng)用 還有一定距離 1 2 1 4 鑄件的微觀組織數(shù)值模擬 7 伸6 m 7 3 州 微觀模擬是一個較新的研究領(lǐng)域 通過計(jì)算機(jī)模擬來預(yù)測鑄件微觀組織形成 進(jìn)而 預(yù)測鑄件的力學(xué)性能和工藝性能 最終控制鑄件的質(zhì)量 微觀模擬雖然是個較新的領(lǐng)域 但已取得了顯著的進(jìn)展 現(xiàn)在已能夠模擬技晶生長 共晶生長 柱狀晶與等軸晶轉(zhuǎn)變等臺 金微觀組織變化 微觀組織形成的模擬可分為三個層次 毫米 微米或納米量級 宏觀量 如溫度 速度 變形等 可以利用相應(yīng)的方法計(jì)算 通常采用有限元法或有限差分法求解 而在微觀范圍內(nèi) 則采用解析的方法來分析枝晶端部 拭晶薄層或球粒的動力學(xué)生氏 近 年來 隨機(jī)方法如m o n t e c a r l o 法或c e l l u l a r a u t o m a t o n 法已被用于晶粒組織形成及生長的 9 昆i j 理工 k 學(xué)碩士學(xué)位論文第一竄緒論 模擬中 這些技術(shù)綜合考慮了非均質(zhì)形核 生長動力學(xué) 優(yōu)先生長方向和晶粒間的碰撞 最近 r a p p a z 等人對凝固過程中的枝晶組織模擬進(jìn)行了回顧 評述了隨機(jī)論方法 s t o c h a s t i c 和決定論方法 d e t e r m i n s t i c 的發(fā)展?fàn)顩r 雖然二者都可以預(yù)測柱狀晶和 等軸晶組織 但相比較而言 決定論模型已經(jīng)可以把凝固過程中所涉及到的物質(zhì)守恒方程 與晶粒形核和長大的微觀模型耦合起來 而隨機(jī)論方法貝 1 只能將能量方程與形核和生長結(jié) 合起來 決定論方法無疑更接近于實(shí)際凝固過程韻物理機(jī)制 特別是它考慮了宏觀偏柝和 固態(tài)傳輸 隨機(jī)論方法則更適合于描述桂狀晶粒組織的形成 如結(jié)晶選則 組織形成等 及柱狀晶和等軸晶的相互轉(zhuǎn)變 不少學(xué)者對三維c e l l u l a ra u t o m a t o n 有限元模型 c a f e 模擬的原理及應(yīng)用作了闡述 f e 方法用來計(jì)算三維鑄傳的溫度場 c a 形核和生長算法則 用來預(yù)測晶粒組織的形成 者的耦含 則可以對枝晶生長動力學(xué)及潛熱釋放進(jìn)行模擬 三維c a f e 模型可以模擬定向凝固葉片精密鑄造過程中柱狀晶的競爭生長 晶粒在過冷 液體中的延伸及多晶生長 相場方法 p h a s ef i e l dm e t h o d 的研究是進(jìn)行直接微觀組織模擬的研究熱點(diǎn) 相場 理論通過微分方程反映了擴(kuò)散 有序化勢及熱力學(xué)驅(qū)動力的綜合作用 相場方程的解可以 描述盤屬系統(tǒng)中固液賽面的形態(tài) 曲率以及界面的移動 把相場方程與溫度場 溶質(zhì)場 流速場及其它外部場耦合 則可對金屬液的凝固過程進(jìn)行真實(shí)的模擬 已有的工作包括 而對于純金屬或共晶合金等在一定溫度下凝固的金屬 則采用所謂的溫度補(bǔ)償法來 模擬潛熱的釋放過程 純金屬或共晶合金在凝固開始后的一段時間內(nèi) 圓相不斷增多 但 溫度基本保持在熔點(diǎn)附近 這是由于釋放潛熱補(bǔ)償了熱傳導(dǎo)帶走的熱量 亦即補(bǔ)償了由傳 熱所引起的溫度下降 由予熱量的多少?？梢詥卧w的溫度或其變化來表示 因此可以將 這部分熱量折算成所能補(bǔ)償?shù)臏囟冉德?加入到溫度討 算中去 這即是溫度回升法或溫度 補(bǔ)償法 體積為a v 的液態(tài)金屬在凝固時所釋放的潛熱為 a q o l a o 一 2 3 1 這部分熱量用于提商其自身溫度 貝l j 升溫 t a u 2 2 由此可以得到 a t z 沼3 3 也就是說 對于體積為 v 的金屬單元體 在凝固階段可供補(bǔ)償?shù)臏囟葹?1 在具 2 4 昆明理工大學(xué)碗士學(xué)位論文銷二慧 一般鑄件凝閨過程溫度場模擬 體計(jì)算中 溫度的卒b 償可以用固相百分率的增加來監(jiān)測計(jì)算過程 每次計(jì)算使溫度仍嘲s t 一 到熔點(diǎn) 同時記錄累積的 f 當(dāng) f s 1 時 說明計(jì)算結(jié)束 亦即潛熱釋放完畢 這 種比用 t 來i f 測計(jì)算過程的方法物理意義更加明確 也易于與數(shù)值計(jì)算過程結(jié)合 2 5 2 潛熱釋放模式的確定 潛熱處理方法只是針對數(shù)值計(jì)算的要求麗采用的具體計(jì)算方法 從彩響鑄件內(nèi)部的 溫度分布及凝固模式來說 更具實(shí)質(zhì)性的乃是在模擬計(jì)算中采用何種潛熱釋放模式 前面已經(jīng)說過 處理潛熱釋放的關(guān)鍵在于確定固相百分率 與溫度的關(guān)系 為便j 二 比較 以數(shù)值計(jì)算中常見的四種模式作為對象來考察 它們分別是 1 假設(shè)在液相線溫度t l 和固相線溫度t 之間潛熱里線性釋放 則 f s t l 彤t 虬墨t 1 2 3 4 2 假設(shè)在t 1 和k 之間 廠 與溫度呈二次線性關(guān)系 3 假設(shè)凝固過程進(jìn)行緩慢 以至可以認(rèn)為在閩液相之間始終處于平衡 這樣即可 按相圖所示并利用杠桿定律來確定廠 一一7 關(guān)系 4 假設(shè) 與t 的關(guān)系服從s c h e l l 定律 即在凝固過程中固相內(nèi)沒有擴(kuò)散而液相 則是完全均勻的 無論何種模式 對某種合金而言 潛熱的總量是相同的 區(qū)別僅在于釋放的速度不 同而已 對凝固溫度區(qū)間大的合金來說 不同的潛熱釋放模式所導(dǎo)致的溫度分布電有較大 差異 模式 3 4 所得的溫度較高 而模式 2 得到的較低 而這種差異主要表現(xiàn) 在糊狀區(qū)內(nèi) 一旦凝固結(jié)束 彼此間的差異將迅速減小 而對于凝固溫度區(qū)問較小的合金 來說 則不同的模式導(dǎo)致的結(jié)果彼此差異不大 昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論史第三章一般鑄件凝嘲縮檜縮禮及熱裂模擬 第三章一般鑄件凝固縮松縮孔及熱裂模擬 3 1 一般鑄件凝固縮松縮孔數(shù)值模擬 鑄件凝固過程數(shù)值模擬的最終目的是解決鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題 實(shí)現(xiàn)鑄件質(zhì)量 預(yù)測和控制 其中縮松縮孔預(yù)測是一個重要內(nèi)容 在溫度場計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行縮松縮孔的 數(shù)值模擬 然后改進(jìn)不合理的工藝 提出新工藝 再進(jìn)行計(jì)算 多次反復(fù)直至獲得最優(yōu)工 藝 以控制鑄件的內(nèi)部質(zhì)量 文獻(xiàn) 3 2 中提出了一種預(yù)測一般鑄件縮松縮孔的三維定量模 擬法 采用等效液面收縮法來預(yù)測一次 二次縮孔的形成 用g r 法來預(yù)測縮松的形成 e 7 2 2 jc 2 7 3 2 4 43c 4 5 4 6 3e 5 6 3 5 s s 9 6 0 6 1 6 33c 6 4 6 5 陸 3 1 1 縮孔的分類及產(chǎn)生機(jī)理 鑄件在凝固過程中 由于合金的體積收縮 往往在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞稱 為縮孔 容積大而集中的孔洞稱為集中縮孔 簡稱縮孔 細(xì)小雨分散的孔洞成為分散性孔 洞 簡稱縮松 縮孔不同于鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的氣泡狀缺骼 氣孔 但在很多場臺下難以嚴(yán) 格區(qū)分 實(shí)際生產(chǎn)中 根據(jù)縮孔的形狀和發(fā)生部位 把縮孔分為兩種 即由于金屬液面f 降而形成的管筒形縮孔 亦稱一次縮孔 在一次縮孔下部產(chǎn)生的為二次縮孔 在壁厚中心 部位產(chǎn)生的集中縮松 亦稱宏觀縮松 分散產(chǎn)生的樹枝狀晶體之附的顯微縮松 一一般也 把產(chǎn)生于鑄件表面 能直接觀察到的縮孔稱為明縮孔 一次縮孔及外縮孔 產(chǎn)生于鑄件 內(nèi)部的縮孔稱為暗縮孔 二次縮孔 縮松及顯微縮松 總之 縮孔是會屬液面f 產(chǎn)生的 空隙或者是鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的空隙 在這些空隙中存在著 二氧化碳 空氣等氣體 因此 這 樣的缺陷實(shí)際上是氣孔的一種 其主要形成原因是縮孔是由于體積收縮引起的 氣孔是液 體中的氣體引起的 下面簡要介紹一下縮孔的形成機(jī)理 1 液體會屬的流動和壓力下降 鑄件冷卻凝固時的液態(tài)收縮 凝固收縮 固態(tài)收縮 鑄型的變形等引起了型腔中液 體金屬的移動 使液體金屬液面下降 這個液麗下降是形成一次縮孔的主要原因 液體金褥的流動會引起壓力的下降 特別是凝圃過程中處于圜液兩相共存狀態(tài)列 2 6 昆明理工大學(xué)碳 學(xué)位論文 第 章 一般鑄件凝同鋪松鰳亂發(fā)熱裂樓擬 壓力下降更大 這是暗縮孔和明縮孔產(chǎn)生的原因 固液共存狀態(tài)的流動可以分為只有液相流動和固液兩相均進(jìn)行流動兩種情況 只有 液相的流動可看成是液體在多孔的透氣物體內(nèi)流動 這種情況可以用d a r c y 定律來描述 甜 一罷 p p l g 3 1 jo 式中 u 液態(tài)金禍的動力粘度 p 三維空間中的壓力梯度 p 體積液相率 g 重力加速度 k 滲透率 k r f i 它取決于樹枝晶體空隙的大小 其中y 為與樹枝晶體空隙和結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 對式 3 1 進(jìn)行積分 假定其余項(xiàng)為定值 并忽略重力的影響 則在x 方向一e 因 流動產(chǎn)生的壓力損失為 a p 盟 缸 3 2 k 或 扯等等婦 渤 式中 f 體積固相率 由式 3 3 可知 如果嗣相率減小 相同流速n 卜 的壓力損失會急劇增加 當(dāng)固相率 達(dá)到某個定值以上 流動的壓力降到足夠小時 液相的流動會變得非常困難 此時由于合 金的體積收縮而得有到金屬液的補(bǔ)充而形成縮孔缺陷 把流動發(fā)生困難時的這個圃相率稱 為臨界流動圍相率 簡稱臨界固相率 用 表示 對于以等軸晶體凝固的合金 在凝固初期 不僅存在著液相的流動 而且還同時伴 隨著等軸晶體固相的一起流動 此時由于流體的粘滯性 對圍液兩相均避行流動姻情況 就不宜采有d u r c y 定律 而應(yīng)根據(jù)考慮了流路摩擦損失的b e m u l i e 方程束處理 為此假定 固液共存區(qū)中合金的表觀粘度為虬 根據(jù)h a g e n p o i s e u i l l e 公式 流路商徑為d 的層流流 動的壓力損失 p 為 a p 3 2 釤2 挑 3 4 昆i 弱理1 大學(xué)碩土 學(xué)位論文第蘭章 一般鑄件凝同縮松縮孔及熱裂模擬 由式 3 4 知 在流路直徑d 和流速u 一定的條件下 表觀牯度越大 壓力損失也 越大 當(dāng)固相率達(dá)到某一臨界值以上時 廠 蘭 表觀粘度會急劇變大 壓力損失將 急劇減小 在鑄件中將產(chǎn)生縮孔缺陷 2 溶質(zhì)成分的濃化和反應(yīng) 隨著溫度下降 液體中的氣體溶解度也相應(yīng)下降 因此氣體成分向溶解度比較大的 高溫一側(cè)擴(kuò)散 移動 同樣像鐵碳臺金中碳 硫等那些溶質(zhì)分配系數(shù)小于1 的元素也將向 液相一側(cè)排出 此時若液體中溶解氣體 h 2 等氣體 或反應(yīng)氣體 如 2 0 等 的平衡壓 力大于生成氣泡的臨界壓力時 則氣泡生成 氣泡不能排出 形成縮孔 3 氣泡的生成和長大 縮松和顯微縮松不少是由于溶解氣體和反應(yīng)氣體生成的氣泡形成的 氣泡的生成和 液態(tài)金屬的結(jié)晶一樣 首先必須形成氣泡核 氣泡核的形成也有均質(zhì)形核和異質(zhì)形核 除 了氣體的壓力較小 幾乎可以認(rèn)為氣泡核和晶核的生成機(jī)理相同 液體會屬的壓力p 如果 低于某一臨界匪力 即p p 氣泡就會發(fā)生 也就是 p p p g k 一 p 3 5 p p 6 2c 幺一p 3 6 ie 式中 p 作用于金屬液面上的壓力 p g k 液體金屬的壓力 a p 由式 3 2 3 3 3 4 求得的流動壓力損失 p j 氣體分壓力 2 半徑為1 7 的氣泡核所受液體金屬的表面張力 引起的壓 j 日 力 p 生成氣泡所需要的過飽和平衡壓力 氣泡一旦生成 過飽和氣體成分就以擴(kuò)散方式向氣泡內(nèi)移動 而使氣泡長大 如果 壓力的降低比氣體成分?jǐn)U散快 則就會生成其它新的氣泡 一般說 氣泡濃度越小 冷卻 速度越慢 生成氣泡的數(shù)量越少麗尺寸越大 氣泡的長大不僅受擴(kuò)散的影響 也受固褐率 的影響 凝固初期 固相率小時 生成的氣泡能夠長得較大 而凝固術(shù)期固相率大時 樹 枝狀晶體之間生成的氣泡就不可能長大 另外 氣泡是否由于浮力而能夠上升和周圍相率 昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章 一般鑄件凝捌縮松縮扎披熱裂犢擬 的不同而不同 綜上所述 生成縮孔的原因 除了液體金屬液面下降的原因外 凝固收縮引起的壓 力下降使得過飽和氣體生成了氣泡 也是縮孔形成的原因 臨界固相率廠 在縮孔形成中 具有重要意義 但是要精確測定歹二的值目前仍很困難e 3 1 2 一般鑄件縮松縮孔蘭維定爨數(shù)值模擬 金屬凝固時 液灝相線之間的體積收縮即凝固收縮是形成縮孔及縮松的主要原因 當(dāng)補(bǔ)縮通道暢通 樹枝狀晶體沒有形成骨架時 體積收縮表現(xiàn)為集中縮孔 一次或二次 且位于鑄件可流動單元的上部 而當(dāng)樹枝狀晶體形成骨架時 宏觀補(bǔ)縮通道被堵塞 這時 被樹枝狀晶體分割包圍的液體部分其體積收縮裘現(xiàn)為縮松 樹枝狀晶體范圍內(nèi) 液態(tài)收 縮和固態(tài)收縮對縮孔縮松的形成影晌不大 特別是固態(tài)收縮 鑄件在實(shí)際凝固過程中 當(dāng)金屬從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)對 原子闡距要大大減小 在宏觀 方面表現(xiàn)為體積要減小即發(fā)生收縮 當(dāng)鑄件發(fā)生收縮肘 剩余可流動液體將對收縮部分進(jìn) 行自動樸縮 這時在重力作用下 液體將自動由頂向下流動 進(jìn)行補(bǔ)縮 即表現(xiàn)為宏觀的 液面降低 因此我們假定冒口或鑄件最高部位液面下降量等于鑄件 包括冒口本身 的收 縮量 這種假設(shè)稱為等效液面收縮量法或稱等效液面 f 降法 e q u i v a l e n tl i q u i ds u r f a c e d e s c e n d i n gm e t h o d 簡寫成e l s d m 冒口或鑄件中的金屬液面下降后 原來充滿會渴 液的部分將變?yōu)橐粋€空腔 充滿空氣 這個空腔即為冒口部位的縮孔 一次縮孔 若鑄 件的一一次縮孔下部出現(xiàn)與一次縮孔不相連通的 二次縮孔 則該縮孔由于常常被 t 2 和c 0 2 充滿又叫做氣孔 這時鑄件已經(jīng)凝固或正在凝固的單元與縮孔單元之間的熱交換將由原來 鑄件自身單元之間變?yōu)殍T件和大氣 或其它氣體 單元之間 鑄件和縮孔邊界單元 以及 氣體與氣體單元之間 縮孔內(nèi)部單元 即傳熱性質(zhì)發(fā)生了變化 這時需要重新設(shè)置邊界 條件 原來是鑄件自身單元之間傳熱 現(xiàn)在變?yōu)殍T件和氣體邊界單元以及大氣單元之間的 換熱 這是由于收縮引起的傳熱方面的變化 對于大型鑄件 由于收縮量往往很大 需要 進(jìn)行多次澆注即需要補(bǔ)澆 但每次補(bǔ)澆應(yīng)在何時進(jìn)行 補(bǔ)澆量是多少 這些因素如果能事 先確定對于澆注工藝的優(yōu)化是非常重要的 這就要求在數(shù)值模擬的過程中能隨時計(jì)算縮孔 體積及補(bǔ)澆量并能很方便的輸出結(jié)果 補(bǔ)澆量 縮孔體積 金屬液密度 隨著凝固的進(jìn)行 單元固相百分?jǐn)?shù)不斷增加 液棚百分?jǐn)?shù)不斷減小 當(dāng)單虎吲干冀率 2 9 昆蝸理1 一大學(xué)碩j 學(xué)位論文第三章 般鑄件凝瑚締描縮乳艘熱裂模擬 達(dá)到或大于臨界流動固相率時 該單元成為不可流動單元 因而就不能參與宏觀補(bǔ)縮 因 此每進(jìn) 亍一次計(jì)算都應(yīng)該判斷哪些是可流動單元 哪些單元是不可流動單元 然后自頂向 下減去流動單元 使流動單元減少的數(shù)薰等于縮張單元增加的數(shù)量 單元的坐標(biāo)則反映了 縮孔的位置 當(dāng)樹枝狀晶體凝固形成骨架時 被樹枝狀晶體包圍的體積收縮將形成縮松 對于縮 松出現(xiàn)的部位的判斷的方法有等溫曲線法 溫度梯度法 流導(dǎo)法 固相率梯度法 p 值法 時間梯度法 鄉(xiāng)么法 壓力梯度法 補(bǔ)縮距離法 收縮勢法 直接模擬法等 此處用新 山莢輔提出的吵府判據(jù)進(jìn)行判斷 當(dāng)單元的 廂值小于萊一臨界值時 該單元便是可 v j 能出現(xiàn)縮松的單元 所有可能出現(xiàn)縮松的單元的集會就表示了縮松的分布范圍 但是 形 壓值的大小與單元尺寸的大小有關(guān) 當(dāng)網(wǎng)格劃分過大時 有時 j 誓席的值即使小于 抵 q k 臨界值 該單元也不會出現(xiàn)縮松 但這時縮松形成單元的噦斥一定小于臨界值 k 綜上所述 用三維數(shù)值模擬定量預(yù)測一般鑄件的縮孔和縮松 需要經(jīng)過以下幾個步 驟 溫度場計(jì)算 潛熱的處理 收縮量計(jì)算 縮弧形成計(jì)算 邊界條件的重新設(shè)罱 縮松 形成判定 結(jié)果顯示 其具體步驟論述如下 l 收縮量的計(jì)算總的收縮薰由單元收縮量之和組成 從時刻t 到t 十 t 之間 單 元i 的固態(tài)收縮量 y 用公式 3 7 計(jì)算 從時刻t 到t t 之間的總收縮爨用公式 3 8 計(jì)算 y 屆a 函舭 3 7 y 礦 礦 3 8 l j l 式中 口 凝固收縮率 n 單元總數(shù) 單元i 固相率 幽 咖 d z 剖分單元在x y z 方向上的剖分步長 a 單元i 的液態(tài)收縮量 2 縮孔形成的計(jì)算由于縮孔形成是連續(xù)的 要求在計(jì)算過程中隨日寸判斷鑄件總 的收縮量是否大于單元體積 若大于單元體積 則隨時從冒口中或鑄件最高部位的可流動 昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章 一般鑄件糍醐孵松端孔艘熱裂模擬 單元中減去收縮量 因?yàn)閱卧请x散的 所以每次只能減去一個單元 反復(fù)減 直至總收 縮量小于一個單元的體積再進(jìn)行下一個單元的計(jì)算 在從冒口或鑄件中減去收縮量時 首 先需要判斷被減單元的固相率的大小 只有當(dāng)單元的圓相率小于臨界流動固相率廠 時 該單元才可能流動進(jìn)行補(bǔ)縮 縮孔形成后 縮孔和鑄件單元將由不同的物質(zhì)組成 這時將 不斷的有背后的邊界層形成 傳熱特性及溫度場都將發(fā)生變化 并將影響以后的計(jì)算 為 此必須不斷對新的邊界層隨時進(jìn)行設(shè)定 即重新設(shè)定邊賽條件 3 邊界條件的重新設(shè)定 在溫度場的計(jì)冀程序中一般說來可以編寫 個子程序用 于設(shè)置初始條件 因此對于冒口中被減去的單元即為縮孔單元 只需將其單元分類號羲新 設(shè)置 然后再執(zhí)行該子程序即可對新的邊界進(jìn)行重新設(shè)置 邊界重新設(shè)置后 鑄件的溫度 場將發(fā)生變化 這種變化在實(shí)際的凝固過程中將影響縮孔的形狀和分布 即加強(qiáng)或減弱縮 孔周圍單元的散熱條件 4 縮松形成的預(yù)測 用 醞法進(jìn)行縮松形成的預(yù)測 此方法由日本的新山英輔 提出 其大致推導(dǎo)過程如下 根據(jù)模數(shù)和凝固時間的關(guān)系可得 尚 3 9 式中 凝固時間 v 被計(jì)算鑄件某部分的體積 a 被計(jì)算鑄件某部分的散熱面積 由此可以得出 f ro c 礦 3 l o 另一方面 由凝固收縮引起的流動速度1 1 為 鄧 3 1 1 由式 3 1 0 和式 3 1 1 可得 舭托 3 d 因?yàn)槔鋮s速度r 夕0 則有 c 瓦 從而有 c 咒 3 1 3 又因?yàn)榻饘僖涸谥чg的流動屬于多孔介質(zhì)問的流動 符合達(dá)爾西公式 則確 3 l 昆明理 j 大學(xué)頌t 學(xué)位論文第三章一股鑄件凝瑚縮挫縮f l 發(fā)熱裂模擬 c 所以有 o c 3 1 4 由式 3 1 4 可知 g 仨越小 p 越大 金屬液流動所需的壓力差就越大 說明金 吖直 屬液流動的阻力就越太 對金屬的補(bǔ)縮越困難 則容易形成縮松 如果取菜一褊界值 為 常數(shù) 使9 猛s k 為產(chǎn)生縮松的糊據(jù) 這就是鄉(xiāng)憊法的由來一但是 巧百法一般僅用于 二維問題 將鄉(xiāng)缸判據(jù)用于三維擬 對于三維溫度場來說 需計(jì)算每 個節(jié)點(diǎn)相鄰2 6 個單元的g r 值 取9 錳值最大者代表棱晶閆補(bǔ)縮艟力 當(dāng)單元的 巧瓦值 j 于臨界值 時 出現(xiàn)縮松 否則不出現(xiàn) 但是 從上面方法的技術(shù)路線可以看到 該方法考慮到了由于補(bǔ)縮造成的傳熱邊界 的變化 但卻沒有考慮到補(bǔ)縮行為只限于孤立熔池中 而認(rèn)為所有的補(bǔ)縮行為均來自于鑄 件最高處的可流動單元 顯然 這種處理方法存在很大的局限性 該方法縮孔的預(yù)測把凝 固過程中全部收縮量所需的補(bǔ)績均歸結(jié)于鑄件最高流動單元 而不考慮是否存在樸縮通 道 往往會帶來較大偏差 另一方面 在一定程度上存在著縮孔位置被預(yù)測成為縮松的隱 患 針對上述問題 清華大學(xué)的賈寶仟以及山東大學(xué)田學(xué)雷提出了凝固過程中動態(tài)補(bǔ)縮域 的技術(shù) 可以較好的預(yù)測凝固過程中同時出現(xiàn)的任意位置多個孤立補(bǔ)縮域的縮孔縮松 解 決了凝固過程數(shù)值模擬常出現(xiàn)的位置較低的側(cè)暗冒口或鑄件中可能出現(xiàn)的縮孔不能被詆 確預(yù)測的技術(shù)難題 3 1 3 一般鑄件凝固過程中熔池孤立域動態(tài)劃分 l 熔池孤立域的劃分 所謂的熔池孤立域就是在鑄件的凝固過程中 因?yàn)槟添樞虻腶 i 同 鑄件內(nèi)部出現(xiàn) 多個熱節(jié) 這些熱節(jié)彼此之間被已經(jīng)凝固的部位隔開 不能相互補(bǔ)縮 而每個熱節(jié)內(nèi)部均 存在著可流動的金屬液體 這些熱節(jié)被稱為孤立熔池域 在鑄件的凝固過程中 動態(tài)的區(qū) 分熔池的分布情況 進(jìn)行收縮量 補(bǔ)縮量 被補(bǔ)縮量等收縮補(bǔ)縮計(jì)算時 對各個孤立熔池 域均進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算 而不允許跨越區(qū)域范圍進(jìn)行補(bǔ)縮 這就是孤立熔池送域動態(tài)補(bǔ)縮的思 想核心 采用此項(xiàng)技術(shù)可以有效豹減小鑄件縮孔形成對在預(yù)測多熱節(jié)鑄 牛時產(chǎn)t 扛的誤差 從而提高預(yù)測縮孔縮松位置和形狀的準(zhǔn)確性 j 2 昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章 般鑄件凝j 捌縮松縮孔及熱裂模擬 孤立熔池域的動態(tài)劃分簡要介紹如下 算法是要方便而快速地動態(tài)判定某一補(bǔ)縮域 在鑄件的凝固模擬中將可流動單元稱 為液態(tài)單元 這些單元的固相率小于臨界固相率 所以臨界固相率是判斷某個單元是液念 還是固態(tài)的一個重要依據(jù) 在已知哪些鑄件單元是液態(tài)單元之后 就要判斷哪些液態(tài)椎元 屬于同一個熔池 即熔池的區(qū)分 熔池的區(qū)分以凝固過程熱傳導(dǎo)計(jì)算公式的有限差分格式 為基礎(chǔ) 而有限差分的計(jì)算對象是直角六面體 中間單元是分析對象 其它單元為此單元 的前 后 左 右 上 下相鄰的六個單元 熔池孤立域的劃分思想如下 1 假設(shè)除未完全凝固的鑄件單元外 其它單元均為絕熱單元 2 虛擬傳熱計(jì)算之前 假設(shè)鑄件各單元的溫度均為零度 這樣如果能找到一 個未完全凝固的鑄件單元 給該單元賦一個非零假想溫度值 然后從該單元開始通過傳熱 計(jì)算繼續(xù)在該單元的六個相鄰單元中尋找新的液態(tài)單元 如此反復(fù)尋找 最終將找到與該 單元相連的所有液態(tài)單元 則這些單元屬于同一個熔池孤立域 在尋找競?cè)鄢氐乃袉卧?后 將這個熔池中的所有單元做一個標(biāo)志 表示它們屬于同一個熔池 然后 繼續(xù)尋找未被做標(biāo)志酶液態(tài)單元 即另一個熔池的單元 找到后 從此液態(tài) 單元開始尋找與它相連的所有液態(tài)單元并做另一個熔池的標(biāo)志 如此反復(fù)尋找 可以找到 所有屬于不同熔池的液態(tài)單元 也就完成了對不同盼熔池的劃分 2 熔池孤立域收縮量的計(jì)算 每個孤立域的收縮量是該孤立域單元收縮螢之和 t 到t a t 時刻 m 孤立域中單元 i j k 的收縮量為 瞻 胚尼川a x a y a z 一 3 1 5 該孤立域的總收縮量為 a v 7 呻 出 礦 j l 一 3 1 6 其中 孔 m 孤立域 i j k 單元t 到t a t 時刻的凝固分?jǐn)?shù) 由于縮孔的形成是連續(xù)的 要求在計(jì)算過程中隨時判斷任一個孤立域的總收縮量是 否大于單元體積 d x d y d z 的大小 如果大于單元體積 從該孤立域的可流動單元中減去 收縮量 由于單元是連續(xù)的 同樣應(yīng)該每次只能減去一個單元 反復(fù)核減 贏至該孤立域 的總收縮量小于一個單元的體積 對于減去的流動單元 形成縮孔單元 同樣需要進(jìn)行 邊界的重新設(shè)置 邊界更新設(shè)置后 鑄件的溫度場將發(fā)生變化 昆州理r 火學(xué)碗j 學(xué)位論史第蘭章 一般鑄件凝 翅縮松螄孔駛熱裂模擬 3 2 般鑄件凝固過程熱裂數(shù)值模擬 熱裂是鑄造生產(chǎn)中的常見缺陷 自從2 0 世紀(jì)初鑄造工作者就開始研究熱裂的形成機(jī) 理 廣大鑄造工作者為研究熱裂的桃理 預(yù)測 控制和預(yù)防這種缺陷作了很大的努力 研 究表明 這是一個影噙因素眾多 機(jī)理復(fù)雜 涉及鑄件 鑄型系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果 5 0 年代 鑄造工作者發(fā)現(xiàn)在鑄件凝固過程中液圈兩相區(qū)可以分為無強(qiáng)度的準(zhǔn)液相區(qū)和肖強(qiáng)度 的準(zhǔn)圈相區(qū) 熱裂發(fā)生在準(zhǔn)固相區(qū) 由于影響熱裂的因素多種多樣 熱裂的機(jī)理沒有徹底 摘清楚 因此多年來鑄件熱裂數(shù)值模擬與預(yù)測聞藤還沒有解決 多年來在熱裂數(shù)值模擬方 面所做的工作分為基于凝固條件與補(bǔ)縮縋力的熱裂模擬和基于鑄件高溫應(yīng)力應(yīng)變場的熱 裂模擬兩部分 隨著溫度場數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展 很多磷究