鑄造充型過程的數(shù)值模擬

1、鑄造充型過程數(shù)值模擬的研究進(jìn)展學(xué)生姓名：王霞學(xué) 院：材料科學(xué)與工程專 業(yè)：材料工程學(xué) 號：20131800103（ 二一四年二月摘 要鑄造過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)是當(dāng)今材料科學(xué)的重要前沿領(lǐng)域。本文從鑄件充型數(shù)值模擬的發(fā)展過程、軟件的開發(fā)狀況、 計算方法及驗證方法等四個方面介紹了國內(nèi)外鑄件充型過程計算機數(shù)值模擬的概況。關(guān)鍵詞: 數(shù)值模擬; 充型過程; 鑄件; 模擬軟件 Abstract The technology of computernumerical simulation on casting process is an importangt frontal field of materia

2、l science and technolgy.The present foreign and domestic research on compter digital simulation of casting process is summarized in the paper from four respects of evolution of numerical simulation of filling processes of castings,development state of software ,method to calculate and method to prov

3、e.Key words:numerical simulation ;filling process;castings;simulation software目錄摘要 1Abstract 2一 前言 1二 數(shù)值模擬的國內(nèi)外發(fā)展概況 1三 充型過程數(shù)值模擬技術(shù)新進(jìn)展 3四 鑄造模擬軟件的開發(fā)狀況 3五 充型過程數(shù)值模擬的計算方法 44.1充型過程液體流動的數(shù)值模擬 44.2 充型過程卷入缺陷的數(shù)值模擬 5六 充型過程實驗研究 6七 結(jié)論與展望 7參考文獻(xiàn) 81 前言鑄件充型過程數(shù)值模擬是隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展而發(fā)展起來的一種現(xiàn)代鑄造工藝研究方法。這種方法通過對鑄件進(jìn)行計算機試澆及工藝分析，能

4、較快、較深入地揭示出鑄件質(zhì)量的內(nèi)在規(guī)律，可在工藝實施前優(yōu)化或驗證所采用的鑄造工藝參數(shù)，克服了鑄造工業(yè)長期存在的試制周期長、鑄件成本高、鑄件質(zhì)量難以控制等缺點，對于指導(dǎo)工藝設(shè)計和消化國外先進(jìn)工藝具有重要意義。此項技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)實際，并取得了顯著的效益。2 數(shù)值模擬的國內(nèi)外發(fā)展概況與凝固過程計算機模擬相比，計算機模擬在充型過程的起步較晚，不是人們沒有認(rèn)識到它的必要性,而是這一問題更為復(fù)雜。由于充型過程的流場和溫度場的計算需要確定任一時刻自由表面的狀況，而液態(tài)金屬的充型過程是湍流流動，充型時間很短, 并伴有傳熱現(xiàn)象，使流場和溫度場處于變化之中，且有相互影響，在流場區(qū)域不斷擴大的同時，自由表面的位置

5、和位向也在不斷的變化; 此外,型腔內(nèi)氣體的背壓力、金屬液與鑄型間的熱阻、型壁狀況、入流條件、結(jié)晶潛熱及固相率等都影響充型過程，使充型過程的計算機模擬成為一個相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)值模擬問題。 到上世紀(jì) 8 0年代充型過程才剛剛起步。1987年前是充型過程計算機模擬的初始發(fā)展階段。 模擬基本上限于二維板類鑄件, 并假設(shè)在充型過程液態(tài)金屬處于層流流動，這些模擬技術(shù)尚不能指導(dǎo)大多數(shù)實際鑄件的工藝設(shè)計。盡管如此，上述先驅(qū)者們的工作開拓了充型過程研究的新領(lǐng)域，奠定了充型過程計算機模擬的基礎(chǔ)。1988年后，充型模擬進(jìn)入了蓬勃發(fā)展階段，模擬技術(shù)不斷完善。在流體計算中引入了能量守恒方程，進(jìn)行了流場、溫度場耦合模擬，并開

6、發(fā)出一套有傳熱的充型過程流體流動的計算模型，但這只是一個考慮比較全面的二維模擬。他們還考慮了湍流和傳熱問題，并通過修正比熱考慮了凝固潛熱的作用。1989年，L i nHJ和黃文星把MAC和SOLA法結(jié)合在一起研究三維流動問題。此后, 充型過程數(shù)值模擬進(jìn)入了三維時代。人們還認(rèn)識到層流、湍流、非牛頓流體的流動差異，并嘗試將宏觀的傳熱、傳質(zhì)、傳動量與微觀的生核、長大過程聯(lián)系在一起，取得了一定的成果。1993年，清華大學(xué)的荊濤、柳百成用SO-LA-VOF法對充型過程進(jìn)行了模擬，并研究了充型過程對澆注完成后鑄型內(nèi)初始溫度場的影響。1994年，沈陽鑄造研究所與香港理工大學(xué)合作，運用SIMPLE算法結(jié)合SM

7、AC法對板類和套類壓鑄件充型過程中型腔內(nèi)金屬液流動進(jìn)行了計算機模擬，還以水利充型試驗對上述模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證。1995年，華中理工大學(xué)的陳立亮等人在分析氣化模充型的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一套關(guān)于氣化模充填的三維數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)了適用于微機的充填過程模擬軟件。1996年，華中理工大學(xué)的袁浩揚等人以SO-LA-VOF法為基礎(chǔ)，結(jié)合他們提出的三維自由表面邊界速度確定方法，實現(xiàn)了鑄造充型流動過程的三維數(shù)值模擬。 同年， 西安交通大學(xué)的蔡臨寧等人用PHONEICSCFD軟件做主模塊，配以VanLeer法解析守恒標(biāo)量方程的子模塊，對三維型腔充填過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對二維流動問題的層流模型和紊流模

8、型進(jìn)行了比較。1997年，清華大學(xué)、秦皇島戴卡公司和一汽共同針對鑄造中遇到的回轉(zhuǎn)類鑄件,開發(fā)出基于柱坐標(biāo)系的充型與凝固模擬軟件系統(tǒng)，有效地解決了基于直角坐標(biāo)系的模擬軟件在處理回轉(zhuǎn)類鑄件、尤其是薄壁鑄件的網(wǎng)格剖分結(jié)果不對稱，模擬結(jié)果局部失真等問題。1998年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的孫小波等人采用直接差分法建立的液態(tài)金屬充型及傳熱耦合計算的數(shù)值模型適用于不規(guī)則單元網(wǎng)格模型的充型及傳熱模擬計算，能較好地處理具有復(fù)雜幾何形狀鑄件的充型過程速度場和溫度場耦合模擬，并在上述數(shù)值模型基礎(chǔ)上開發(fā)了充型過程三維模擬計算程序FT3D模塊。沈陽鑄造研究所的孫遜等人將流體湍流流動計算技術(shù)和自由表面處理技術(shù)應(yīng)用于液態(tài)金屬充型

9、過程數(shù)值模擬計算，并與層流計算和標(biāo)準(zhǔn)重力澆注試驗進(jìn)行對比，表明，湍流與層流計算在自由表面進(jìn)展方面差別不大，但在計算域內(nèi)速度矢量分布上存在明顯差別。3 充型過程數(shù)值模擬技術(shù)新進(jìn)展進(jìn)入21世紀(jì)以來，充型過程數(shù)值模擬研究取得了很大進(jìn)展，國內(nèi)外許多學(xué)者對現(xiàn)行的一些充型過程三維數(shù)學(xué)模型和計算方法進(jìn)行深入研究，做出了許多卓有成效的工作。2001年，清華大學(xué)的賈良榮、熊守美等基于有限差分法建立了液態(tài)金屬充填型腔過程流動及耦合傳熱計算的數(shù)學(xué)模型，使用 SOLAOVOF數(shù)值模擬技術(shù)開發(fā)了壓鑄充型過程流動與傳熱的數(shù)值模擬分析軟件。分別用層流假設(shè)和 K-紊流模型對“弓”形型腔充型過程的流場進(jìn)行了模擬計算，并與壓鑄水

10、模擬實驗的高速攝像進(jìn)行比較。同時使用所開發(fā)的模擬分析軟件，對具有三維復(fù)雜形狀的實際壓鑄件的充型過程的流場、溫度場進(jìn)行了模擬，分析了充型過程中模具在型腔表面的溫度變化規(guī)律，提出“瞬態(tài)層”的概念。2003 年，清華大學(xué)程萬里等為提高低壓鑄造充型過程數(shù)值模擬的計算效率，根據(jù)低壓鑄造中充型的特點，提出了一種簡化的充型過程數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型，并用鋁合金輪轂鑄件進(jìn)行了充型過程的試驗驗證。2004 年日本的Sakuragi 和 Takuya 提出一種基于冷等靜壓法 (CIP 并考慮表面張力的充型過程的算法。將該算法應(yīng)用于擠壓鑄造和壓鑄過程數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與試驗測定的氣孔的位置和尺寸進(jìn)行對比。由數(shù)值計算

11、結(jié)果得知，表面張力對型腔中氣孔的預(yù)測至關(guān)重要。此外，提出一個判別在充型過程中氣孔收縮還是擴張的判據(jù)并且對其進(jìn)行了試驗驗證。2005 年，昆明理工大學(xué)陳樂平等通過實際計算比較了松馳因子和迭代次數(shù) n 對鑄造充型過程模擬軟件中所使用的超松馳迭代法計算結(jié)果的影響，通過統(tǒng)計計算時間來比較其計算所耗時長，并與英國伯明翰大學(xué)所做的標(biāo)準(zhǔn)驗證實驗對比驗證其模擬精度。4 鑄造模擬軟件的開發(fā)狀況鑄造CAE的研究開發(fā)起步于上世紀(jì) 6 0年代，但只是在以下三個方面取得了重要突破以后才使商品化軟件變?yōu)楝F(xiàn)實：( 1 有處理三維復(fù)雜形體的圖形功能；( 2 硬件及軟件的費用大幅度降到鑄造工廠能接受的水平； ( 3 計算機操作

12、系統(tǒng)及軟件對用戶友好。在分析鑄件形成過程的商品化軟件方面，第一個軟件是德國Archen大學(xué)的Sah mPR教授主持開發(fā)的MAGMSoft，1989年在德國第七屆國際鑄造博覽會上展出，以溫度場分析為主，以后又增加了速度場、應(yīng)力場和顯微組織分析等內(nèi)容。 同時展出的還有英國FOSECO公司開發(fā)的Solstar軟件。目前，發(fā)達(dá)工業(yè)國家都有自己的商品化模擬軟件，著名的如美國的Procast，德國的MAGMA，芬蘭的CastCAE，西班牙的ForCast，日本的CASTTEM，法國的SIMULOR，瑞典的Novasolid等。許多軟件可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造等進(jìn)行溫度場、流場及應(yīng)力場模擬，預(yù)測

13、鑄件的縮松、縮孔、熱裂等缺陷和各部位的組織。其功能一方面正向壓力鑄造、熔模鑄造等方面發(fā)展，另一方面正從宏觀模擬向微觀模擬發(fā)展。其中美國的Procast和德國的MAGMA己增加了球墨鑄鐵組織中石墨球數(shù)及珠光體含量的預(yù)測功能。在這方面國內(nèi)起步較晚，但進(jìn)展迅速，已開發(fā)的商品化軟件主要有清華的FT-star，華中科技大學(xué)的華鑄CAE， 沈陽鑄造研究所的SriftCAST，與國外軟件相當(dāng)。另外，實現(xiàn)鑄造CAE在并行工程中的集成是人們目前關(guān)注的焦點。上述研究成果都標(biāo)志著充型過程計算機模擬技術(shù)日益成熟，為生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。5 充型過程數(shù)值模擬的計算方法流動過程的數(shù)值模擬是充型過程數(shù)值模擬的重點和難

14、點。 目前，用于計算流場的數(shù)值模擬技術(shù)主要有以下幾種： SIMPLE、MAC、SMAC、SOLA-VOF法、守恒標(biāo)量法、 DFDM法及格子氣模型。這些方法是計算流體力學(xué)領(lǐng)域不同階段的研究成果。鑄造充型過程的計算模擬是建立在計算流體力學(xué)基礎(chǔ)上的工程應(yīng)用，在不同階段的計算機模擬中曾選用了不同的計算方法。上世紀(jì)80年代末之前，主要采用 SIMPLE、MAC、SMAC法，9 0年代初主要采用 SOLA-VOF法、守恒標(biāo)量法、DFDM法。不久的將來，格子氣模型可能成為充型過程計算的主要方法。5.1充型過程液體流動的數(shù)值模擬充型過程中涉及質(zhì)量、動量和能量的傳輸，通常認(rèn)為液態(tài)金屬屬于具有粘性的不可壓縮流體，

15、且液態(tài)金屬的熱物性參數(shù)（密度/比熱容和熱導(dǎo)率等）為常數(shù)，在充型過程數(shù)值模擬中，需要求解質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。充型過程早期的研究，主要是針對計算方法的研究，以實現(xiàn)充型過程的模擬為目標(biāo)，其后重點關(guān)注自由表面處理，以提高模擬的準(zhǔn)確性和逼真度。對自由表面的處理方法通?？煞譃閮深?。跟蹤法（Tracking method）跟蹤法中具有代表性的是MAC（Marker-and-cell）法。其是在初始自由表面上設(shè)置隨流體流動的無質(zhì)量粒子，通過對這些粒子進(jìn)行速度計算就可以描述自由表面的變化MAC法只能在液體存在的網(wǎng)格中進(jìn)行模擬計算，所以缺乏從整個型腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測的能力。歸零法（Capturi

16、ng method）采用特征函數(shù)捕獲自由表面（如VOF，Level Set法），歸零法在對自由表面描述的精確程度和計算效率方面尚需改進(jìn)，例如最常用的VOF法由于是根據(jù)流體在網(wǎng)格中所占的體積比來確定自由表面，因此對自由表面的位置、形貌的描述精確度需要提高，計算量也較大。本文作者和大中逸雄等通過對直接有限差分法自由表面提出了單元表面無量綱距離、表面充填比率和體積充填比率，以描述鑄件充型過程中自由表面的形狀，建立了相應(yīng)的充型過程數(shù)學(xué)模型，其中考慮了自由表面形狀對動量、質(zhì)量和能量傳輸?shù)挠绊憽?.2 充型過程卷入缺陷的數(shù)值模擬由于液態(tài)金屬充型的動量需求，以及鑄件型腔形狀的復(fù)雜性，在充型過程中液態(tài)金屬通常

17、會呈現(xiàn)紊流狀態(tài)，導(dǎo)致型腔內(nèi)氣體和自由表面氧化膜卷入Campbell指出，鑄件中至少80%的缺陷與充型過程中產(chǎn)生的紊流直接相關(guān)，由于氣體和氧化膜卷入對鑄件的缺陷形成，力學(xué)性能具有重要的影響，這些卷入現(xiàn)象成為了當(dāng)前充型過程數(shù)值模擬的研究熱點。黃文星等較早地開展了氣體卷入缺陷的研究，將示蹤粒子植入到氣體相中以跟蹤卷入氣體的運動，但是在這個模型中忽略了氣體壓力的影響，實際效果不是很理想。Backer和Mclaughlin等建立了一種能描述卷入氣體的數(shù)量和位置模型，這種模型的特點不僅考慮了型腔中氣體背壓的影響，同時也考慮了溶解在液態(tài)金屬中的氣體，作者指出這些氣體雖然是不可見的，但對整個鑄件質(zhì)量卻產(chǎn)生重要

18、影響；并在大型復(fù)雜薄壁鋁合金和鎂合金壓鑄件中進(jìn)行了應(yīng)用和驗證。日本學(xué)者Kimatsuka和Ohnaka等假定型腔內(nèi)的氣體符合理想氣體定律（克拉帕瓏方程），針對壓鑄充型過程，利用Darcy定律考慮型腔中氣體通過分型面、排氣槽的流出，計算型腔內(nèi)氣體的背壓，將該背壓作為流體的邊界壓力條件，求解流體的動量方程，同時追蹤被流體包圍和卷入的氣體，預(yù)測充型過程的氣體卷入，對實際壓鑄件進(jìn)行了應(yīng)用，并利用不完全充填法對氣體卷入進(jìn)行了驗證。在上述研究基礎(chǔ)上，對實驗ADC12和實際壓鑄件進(jìn)行了充型過程與氣體卷入的數(shù)值模擬應(yīng)用與驗證。實際壓鑄件充型過程氣體卷入的數(shù)值模擬及實驗分析表明，數(shù)值模擬能夠有效地預(yù)測壓鑄件充型

19、時氣體卷入的位置，可為實際生產(chǎn)及成形工藝優(yōu)化提供參考；從壓鑄件不同部位取樣分析發(fā)現(xiàn)，在先填充部位，由于凝固時壓力傳遞良好，形成的孔洞尺寸較??；而在后填充部位，澆口的過早凝固導(dǎo)致傳入型腔的壓力不高甚至壓力傳遞受阻，從而造成孔洞的平均直徑明顯變大。因此，實際壓鑄件中最終孔洞的大小不僅取決于充型過程氣體卷入數(shù)量，而且依賴于凝固過程的壓力傳遞。由于充型過程氣體卷入本質(zhì)上是氣液兩相流體運動的過程，所以近年來建立氣-液兩相流模型的研究正在興起 Rohallah等建立了一個基于PLIC-VOF法進(jìn)行界面描述的兩相流模型，該模型的特點是假設(shè)在整個流體域上密度、粘度是變量，但是對每種流體而言其密度、粘度是恒定的

20、，利用該模型進(jìn)行了氣體卷入的模擬及驗證。熊守美等建立了用于模擬壓鑄過程氣體卷入的不可壓縮兩相流數(shù)學(xué)模型及相應(yīng)的求解算法，并通過水模擬實驗驗證這種算法對卷氣現(xiàn)象的預(yù)測能力。陳立亮等針對不可壓縮氣液兩相流提出了改進(jìn)SOLA算法模型，采用particle level set方法追蹤相界面，預(yù)測充型過程中的卷氣現(xiàn)象，并且運用Campbell的實驗件的X射線觀察結(jié)果和水力模擬實驗，驗證了模型的預(yù)測結(jié)果雖然研究者已經(jīng)可以實現(xiàn)液態(tài)金屬充型過程中氣體卷入的模擬，也取得了一些有效的結(jié)果，但是目前研究仍然存在下列主要問題，也是未來發(fā)展方向之一：1氣體卷入最主要發(fā)生在壓鑄工藝中，當(dāng)壓鑄使用較高的壓射速度（>5

21、 m/s ） 時，液態(tài)金屬主要呈現(xiàn)霧化（Atomization）和噴射（Spraying）形態(tài)，目前基于VOF的模擬方法還難以實現(xiàn)，作者認(rèn)為，采用歐拉法與拉格朗日相結(jié)合的方法（如ALE ） 可能是較好的解決方法；2孔洞的大小 數(shù)量對鑄件力學(xué)性能具有重要影響，如何基于流變學(xué)、傳熱學(xué)、凝固等多學(xué)科理論，研究充型過程卷入氣體在凝固過程的演變及其數(shù)學(xué)模型，從而預(yù)測鑄件內(nèi)部孔洞的最終特征信息，是該方向進(jìn)一步研究的重要內(nèi)容。6 充型過程實驗研究由于鑄件充型過程對質(zhì)量和性能有著重要影響，為了認(rèn)識鑄件充型過程及驗證數(shù)值模擬結(jié)果，研究者希望能夠觀察到該過程，但是由于液態(tài)金屬的高溫與鑄型的不透明性，早期的研究者主

22、要采用水或者有機物作為介質(zhì)進(jìn)行水力模擬實驗。然而，水或者石蠟等有機物的物理性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)等畢竟與實際液態(tài)金屬存在較大的差異。近年來該方面的研究向同步輻射X射線實時觀察和不完全充填法方面發(fā)展。隨著同步輻射X射線技術(shù)的發(fā)展，實際液態(tài)金屬充型行為的觀察研究得到了迅速發(fā)展，使人們首次看到了鑄造充型過程，Campbell最早使用了X射線觀察了鋁合金充型過程；李殿中觀察了鎳基合金熔模鑄造葉片的充型過程，不同澆口系統(tǒng)下充型流態(tài)的變化。目前，除了采用水力模擬和同步輻射X射線實時觀察實驗外，不完全充填法是壓鑄充型實驗方法的一個主要方法，不完全充填法通常有兩種方式：一種是使用相對于型腔容積小一些的壓室容積；另一

23、種是使壓頭推進(jìn)進(jìn)程在中途停止，從而僅僅充填部分型腔。7 結(jié)論與展望(1鑄造充型過程數(shù)值模擬研究的回顧與分析表明，當(dāng)前該方向的熱點在于利用多相流理論研究充型過程氣體 氧化膜卷入的復(fù)雜行為與規(guī)律。(2充型過程及數(shù)值模擬的實驗方法，由早期的水力模擬實驗，發(fā)展至當(dāng)前同步輻射X射線實時觀察和壓鑄不完全充填實驗方法。(3采用歐拉法與拉格朗日相結(jié)合的方法可能是研究壓鑄充型噴射 霧化和氣體卷入復(fù)雜現(xiàn)象的較好方法；同時，基于流變學(xué) 傳熱學(xué) 凝固等多學(xué)科理論，研究充型過程卷入氣體在凝固過程的演變及其數(shù)學(xué)模型，是該方向進(jìn)一步研究的重要內(nèi)容。(4充型過程氧化膜卷入的數(shù)值模擬定量驗證，及氧化膜影響力學(xué)性能的定量關(guān)系，從

24、實驗角度仍然具有高度的挑戰(zhàn)性。參考文獻(xiàn)1 劉志遠(yuǎn).鑄造CAE技術(shù)的應(yīng)用J.中國鑄造裝備與技術(shù)，2003,38（6）：26-292 懂湘懷. 材料成型計算機模擬 M .北京: 機械工業(yè)出版社,2001.12.3 李晨曦, 吳春京, 郭洪志, 等. 鑄造充型過程流場計算機模擬技術(shù)述評 J .鑄造,1997 ,（2）:47-52.4 Lin H J.Com bined Fluid Flow ane Heat Transfer Analysis for the Filling of CastingsJ.AFS Transactions,1988,96.477-458.5 U padhya G.Comprehensive Casting Analysis Model Using a Geometry-Bas