凝固过程模拟仿真课程论文

1、凝固过程模拟仿真课程论文铸造过程数值模拟的研究发展现状(Research on the development status of numerical simulation of casting process)学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料1102 学生姓名： 不知道 学 号： 3110703451 指导教师： 怯喜周 凝固过程模拟仿真铸造过程数值模拟的研究发展现状摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真

2、。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型；Research on the development status of numerical simulation of casting processAbstract: with the rapid development of computer technology, computer aided desig

3、n of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includ

4、es modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidifica

5、tion process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling;1 前言凝固在自然界及人类生产实

6、践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到海洋中冰山浮现,都是自然演进历程中凝固过程的重要体现。而在人类的生产实践中,从矿石冶炼到金属构件的铸造成形、焊接组合,无一不涉及到凝固过程.作为从液态金属到最终构件的最直接成形途径,铸造同时也是现有材料成形方法中最为复杂的工艺过程。使特定成分合金液在外场约束条件下完成凝固过程,可以获得具备不同内部组织及外部形态的铸件。深入理解并准确掌握外场约束条件下的凝固过程,是实现铸件性能控制和优化的前提。建立凝固过程的精确理论描述和可靠数值模拟,在此基础上实现凝固过程的精巧控制,获得铸造工艺和铸件性能的最佳优化,已经成为了当前物理冶金学家及材料研究学者的关注热点1

7、。铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用。同时，铸造业又是产品质量不易保证、废品率较高的产业，因此，对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，加速产品更新换代，对于促进传统工业的技术改造具有重要的现实意义2-4。近年来，随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE 等多项技术已大量应用于生产实际。以工业发达国家为例，目前已有1520%的铸造企业在生产采用凝固模拟分析技术，精确地预测缺陷以及改进铸件的出品率。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真2-4。为此，铸

8、造工艺CAD和数值模拟以及相应的基础理论理所当然地成为铸造学科研究中的前沿课题。尽管铸造过程模拟的应用已经有几十年的历史,但是直到20世纪80年代,才开始实现模拟软件、计算机硬件和人力资源的完美结合,工业上以计算机为基础的模拟才开始普遍应用。目前,计算机模拟已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具,并在某些方面已经进入工业化应用阶段,成为铸造行业发展不可缺少的环节。2 计算机技术应用于铸造过程模拟的发展最早用于铸造过程模拟的是美国哥伦比亚大学的“Heat and Mass Flow Analyzer”分析单元,基于此分析单元Victor Paschkis于1944年在砂模上做了热传导分析,其很多

9、研究成果发表在AFS公报上5。1954年,Sarjant和Slack计算了铸铁块内部温度分布,并使用数值方法计算了瞬时二维热流模型。1962年丹麦的Fursund研究热在砂模中传导对钢铸件表面影响的论文是铸造行业首次发表计算机模拟的文献5。1959年General Electric(GE)公司的Campbell、Villen Weider等研究了应用有限差分法(FDM)模拟生产大型厚铸件制品,在1965年发展了可预测的凝固模型。但FDM法无法追踪金属充型时的自由表面,所以在20世纪80年代早期,一种被称为流动体积法(Volume of Flow;VOF)由Hirt和Nicholas引入,把流动

10、体积函数作为主要参数,用来追踪流动自由表面6。有限元法(FEM)最初是用来解决结构复杂应力分析问题的,但在20世纪60年代,有人开始应用FEM法解决稳态和瞬态热传导问题。其中AFS传热委员会发起并提出了鼓励更深入开展此项研究的计划,密歇根大学的研究人员发表了一些重要的文献;Rober Pehlke和James Wilkes模拟了砂型铸造过程,浇注了包括碳钢、铝和含铅的黄铜合金等各种材料,结果表明,FDM法很大程度上受浇注介质热物理参数的影响5。1973年挪威的VictorDavies等人在浇注铝制品时,将FDM法应用于砂型铸造、金属型铸造和低压铸造。1974年Los Alamos科学实验室开发

11、了计算机生成的颜色移动图片技术,这种技术使用标准的缩微胶卷拍摄装置,通过对一系列光过滤器设置的控制程序,利用11种复合颜色描述不同温度范围,最终产生条状或斑点状图像,实现了凝固模拟技术铸型剖面的可视化。从20世纪70年代到80年代,随着计算机技术的提高,建立了更多的模拟过程与计算模型,这些模型可进行充型模拟,预测浇注温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。80年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用,80年代后期,充型模拟快速发展,这使得铸造厂能有效利用浇注系统消除由流动引起的铸造缺陷,对凝固和补缩能产生一个最佳的温度分布,提高了铸件质量和产率。90年代后期,发展了微结构模拟,

12、它除了对冶金学有更深意义的影响外,还能预测和控制铸件的机械性能。此后不久,人们通过对流和扩散模拟认识了熔融金属液体在生长的枝晶臂间流动的过程7。90年代后期,对应力和变形的模拟研究,更有利于控制铸件的扭曲变形,减少残余应力,最大程度地消除热裂纹和裂缝,减少模具变形,提高了模具的使用寿命。3 铸造工艺CAD的发展与应用状况铸件成形过程的影响因素繁多，且同一铸件可同时有多种不同的工艺方案。所以，一个铸件的成熟工艺不仅需要有一定的生产经验，且往往需要反复试验才能确定8。铸造工艺CAD是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间应完成的全部工艺设计工作。主要包括铸件的分型面、加工余量、拔模斜度、芯头、浇注系统

13、、冒口及各种工艺符号的设计。浇冒系统的设计是其中的关键，并随金属材料的凝固特性而异。此外，铸造工装部分的CAD主要包括模样设计、模板设计、芯盒设计和砂箱设计。在各种设计生成的图形中关键是上下模板的装配图和芯盒图，因为它包含了对所有模样的加工、装配信息，同时提出了设计砂箱的相关要求9-11。目前，国内外研制开发的铸造工艺CAD系统，概括起来可以分为通用和专用两类10-11。通用铸造CAD系统主要用于普通砂型铸造工艺的设计，分为铸钢、灰铸铁、球铁及有色等种类，其功能包括浇注系统设计，补缩系统设计，分型面、起模斜度、加工余量的确定，尺寸标注，以及工艺图及工艺卡的输出；专用铸造 CAD系统主要用于某些

14、特定范围和特定目的的铸造工艺设计，如压铸型CAD、齿轮类CAD,阀体类CAD、曲轴类CAD等。铸造工艺计算机辅助设计程序的功能主要表现在以下几方面：（1）铸件的几何、物理量计算，包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算；（2）补缩系统的设计计算，包括冒口的设计和计算、冷铁设计计算和设计合理的补缩通道；（3）浇注系统的设计计算，包括选择浇注系统的类型和各部分截面积计算；（4）绘图，包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡等图形的绘制和输出。在铸造工艺CAD中，较多的是采用AutoCAD软件(2D)作为图形处理的支撑软件（国内已有很多在其基础上二次开发的软件）完成铸件图、铸造工艺卡等图形处理功能。目前，

15、随着三维造型理论和实用化技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺CAD系统具有许多二维系统无法比拟的优越性，如几何信息的完整性，易于与铸造工艺CAE 系统、铸造工艺CAD/CAM 系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工艺图样等，必将成为铸造工艺CAD系统的主流。如今的三维软件既有大型软件，如UG、Pro/Engineer、CATIA，也有中档软件，如 Solid Edge、Solid Work、MDT 等以及其它低档的一些软件11。国内外在铸造工艺CAD方面的较实用的软件主要有：美国铸协（AFS）的 AFS-software软件，可用于铸钢铸铁的浇冒口设计；英国Foseco公司的

16、 FEEDERCALC软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸，补缩距离及选择保温冒口套等；丹麦DISA公司的DISAMATIC 软件专用垂直分型生产线的浇冒口设计；清华大学研制开发的FTCAD 软件与铸造工艺辅助设计集成软件CASTCAD，分别适用于球铁浇冒口系统设计和铝合金、铸件和铸钢生产；华北工学院开发的铸钢件集成软件提出了改进RUDDLE 三次方法设计冒口且实现了参数化设计9。这类软件已在铸造生产中得到较好的应用，产生了明显的经济效果，可将设计人员从大量的重复性劳动中解放出来在保证产品品质的同时也为产品设计、制造和管理一体化提供方便8。4 铸造充型凝固模拟发展4.1 铸造凝固过程模拟铸件凝固过程是

17、铸造生产中最重要的过程之一，大部分铸造缩孔、缩松及裂纹等缺陷均产生于这一过程12。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分2-3，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算模拟仿真可提高产品质量515倍、增加材料出品率25%、降低工程技术成本1330%、降低人工成本520%、增加投入设备利用率3060%，缩短产品设计和试制周期3060%等4。通过凝固过程数值模拟可以实现下述目的：（1）预知凝固时间以便预测生产率；（2）

18、预知开箱时间；（3）预测缩孔和缩松；（4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计；（5）控制凝固条件；（6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。铸件凝固过程数值模拟开始于60年代2-3,13-15，丹麦FORSUND 把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算，之后美国HENZEL和KEUERIAN 应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。经过了30多年的研究，无论

19、在数学模型，还是在数值方法上都已趋于成熟。随着三维几何造型技术CAD的发展，凝固模拟技术在以下三个方面取得了重要的进步2-3，即：（1）能处理三维复杂形状；（2）软硬件费用工厂能够承受；（3）用户界面友好。进入20世纪80年代，凝固过程模拟已形成世界范围内的热潮。目前，国内外已将凝固模拟技术从实验室科学研究发展到工厂实用阶段，可以做到以铸造凝固理论为指导，以计算机数值模拟为手段，研究、控制凝固及预测铸件缩孔、缩松及裂纹等缺陷，预测铸件的微观组织并推测铸件的机械性能，从而达到优化工艺方案，控制及确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，最终实现取得良好的经济效益。随着计算机技术的发速发展，相继成

20、功开发一系列专用的铸造凝固模拟软件2-3,13-18，比较出名的有：德国 Magma公司的 MAGMASOFT 软件、英国的 PHOENICS 和英国Foseco公司的Solstar、法国AP公司的SIMULOR、日本小松制作所的Soldia和日立制作所的S-CAST、澳大利亚CISRO公司的 CASTHERM、美国流体科学公司的FLOW 3D和美国UES 公司的Procast、清华大学研究开发的“铸造之星FT- STAR”三维铸件充型凝固过程数值模拟分析系统、华中科技大学的华铸CAE等。模拟技术已经大量应用于铸件的日常生产之中，在分析铸造缺陷、预测铸件质量、优化铸造工艺方面发挥着重要的作用4

21、。4.2 充型过程的数值模拟铸造充型流动过程对铸件的最终质量有着重要的影响，平稳的充型流动过程，合理的充型顺序是获得优质铸件的必要条件，是铸件形成过程的重要环节15。充型过程数值模拟一方面可分析金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态，优化浇冒口设计并仿真浇道中的吸气，以消除流股分离和避免氧化，减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击；另一方面，分析充型过程中金属液及铸型温度变化，预测冷隔和浇不足等铸造缺陷。以上结果可用于优化浇冒系统设计，预测冷隔和浇不足等缺陷，同时为后续的凝固过程模拟分析提供初始温度场条件。这对特大铸件、压铸、薄壁件及金属型铸造尤其重要2-3。充型过程的数值模拟始于80年代初19-22，台

22、湾省学者黄文星在美国匹兹堡大学与 R.A.Stoehr教授一起首先将流体力学的研究成果用于解决铸造充型问题，开辟了充型过程研究的新领域。接着，P. V. Desai、王君卿及H. J. Lin 等相继取得了进展。但此时的充型过程数值模拟基本上仅限于二维问题。1989 年，H. J.Lin和黄文星一起开发出了三维数值模拟计算模型，把MAC和SOLA 结合在一起研究三维流动问题13。由于充型过程数值模拟计算涉及的控制方程多且复杂，需要对连续性方程、动量方程和能量方程联立求解，并要进行速度场、压力场的反复迭代，计算量大且结果不易收敛，对自由表面边界问题需要特殊处理，且由于铸型是不透明的，铸件的浇注过

23、程又是在高温下进行，要对铸造充型过程进行直接观察和进行实验验证的代价十分昂贵，这一系列问题，致使充型过程数值模拟的难度很大14-15。液态金属的充型过程可认为是不可压缩的牛顿流体的非稳定流动过程，这是该过程基本数学模型的理论求解基础。目前，铸造充型过程数值模拟技术的求解方法主要有三种方法3：（1）SIMPLE法，即压力连接方程半隐式方法(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equation)；（2）SMAC法，即简化标示粒子法(Simplified Marker and Cell)；（3）SOLA-VOF法，即解法(Solution Algorit

24、hm)及体积函数法(Volume of Fluid)。国内外现已经开发了以流场模拟的实用化为目标相应的商品软件2-3,13-22，如德国的MAGMASOFT、美国的 PROCAST、FLOW 3D、清华大学的FT-STAR、华中科技大学的华铸CAE等，不仅能够有效地预测铸件缩孔类缺陷，其准确性基本上达到了定量的程度，为铸造工艺的设计提供可靠的理论基础和实用参数，可实现铸造工艺的设计从经验化走向科学化。5结语铸造过程数值模拟技术可为提高传统铸造行业的产品品质、企业竞争力提供强有力的工具，国内采用数值模拟技术的铸造厂家为数不多，而国外发达国家采用这一技术的企业高达50%。随着世界经济的一体化以及中

25、国加入WTO，铸造过程的数值模拟技术将显得日益重要4。从目前CAD 技术的应用发展趋势可见，铸造工艺CAD和凝固过程的数值模拟技术的发展比以往任何时候都快，随之而来的必然是系统的集成8。首先是铸造工艺CAD与铸造工艺CAE的集成、铸造工装CAD与CAM的集成，其次是铸造工艺CAD、CAE、CAM 集成，最后是产品设计与铸造工艺CAD的集成，即铸造工艺几何模拟23。即只要将铸件图样、铸型材料、铸造合金热物性参数、凝固特性及数学模型输入计算机，就可以计算出合理的浇冒口系统，对设计的工艺进行计算机试浇注，模拟铸件的凝固过程，预测凝固缺陷、微观组织、残余应力。另外通过将专家系统与铸造工艺CAD/CAM

26、、铸件凝固模拟技术和数据库等技术相结合，并行发展且相辅相成，发挥各自的优势。近年来又提出铸造CAE在并行工程中的集成2-4,24。并行工程(CE)是产品与工艺过程(包括成形与加工制造和相关的辅助环节)集成设计的系统方法。它的特点是多学科的协同工作，重点是以并行设计为主。以新产品开发与铸件形成过程数值模拟为核心的铸造CAE相结合，可以优化铸造工艺过程，确保铸件品质，提升铸造企业的竞争力。另一方面，网络Internet 技术已经深入到传统制造业的各个领域，网络化凝固过程模拟分析系统的开发将为工艺过程模拟仿真技术应用开辟新的途径。使得利用互联网技术提供在线数值模拟仿真技术服务，为中小型铸造企业提供专

27、业化的技术支持成为可能。还可通过 Internet 技术使得各个铸造专家系统实现资源共享，多专家协同工作与诊断。与智能制造、虚拟工厂、网络制造集成，铸造等材料成形加工过程模拟仿真将成为制造业新产品过程设计的非常有效的工具。参看文献1 黄卫东，王猛，凝固过程数值模拟的研究进展和发展趋势，科学通报，2014 年 第59卷,第10期：845853.2 柳百成,荆涛等.铸造过程的模拟仿真与质量控制M,北京:机械工程出版社，2001年.3 荆涛.凝固过程数值模拟.M电子工业出版社，2002年.4 柳百成.面向21世纪的铸造技术J.特种铸造及有色合金,2000年第6期:11-13.5 BASTIANKM.

28、 A Look Back at the 20th Century Casting Process SimulationJ.Modern Casting,2000(12):43-45.6 HIRTC W,NICHOLS B D.Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free BoundariesJ.Comp Phys,1981,39:201-225.7 AL-RAWAHJI N,TRYGGVASON G.Numerical Simulation of Dendritic Solidification with Convection:Three-dimensional FlowJ.Journal of Computational Physics,2004,194:677-696.8 王云爱,许庆彦,柳百成.CAD技术在铸造过程中的研究与应用J.机械工艺师2001.6:13-15.9 沈丙振,周进,许庆彦,柳百成等.基于AutoCAD的铸铁件铸造工艺CAD的开发J.现代制造工程.2002(6):26-28.10 张南展，林国荣.阀体三维铸造工艺CAD系统J.现