大连理工大学硕士研究生

1、大连理工大学材料科学与工程学院硕士研究生学位论文选题报告姓 名：李佳学 号：21105079 专 业：材料加工工程 论文题目：船用桨毂体铸造工艺计算机辅助优化设计 指导教师：王同敏 教授 填表日期：2012年 11月 5日一、文献综述（1、课题所属研究领域；2、课题的理论意义和应用价值；3、国内外研究概况及发展趋势;4、本论文主要研究目标；5、参考文献）1、课题所属研究领域船用桨毂体铸造工艺计算机辅助优化设计属于材料加工工程应用领域。2、课题的理论意义和应用价值桨毂体是调距螺旋桨装置的核心部件之一，它既是推进功率的承载部件，又是调距的最终执行机构1，故对其质量要求较高。桨毂体外形尺寸大、壁薄、

2、结构复杂，且要求无缩孔、缩松、夹渣等铸造缺陷。砂型重力铸造作为一种传统铸造方式，已无法达到其铸造要求。而立式离心铸造现在被广泛用于制造各种薄壁、不规则形状、大尺寸、高质量的铸件2。低压铸造是介于重力铸造和高压铸造的一种铸造方法，兼具重力铸造中底注平稳充型和压力铸造中铸件在压力下结晶凝固的优点，具有充型平稳，补缩效果良好的特点，已成为最有前途的加工工艺方式之一3。离心铸造和低压铸造均适合制造高质量的桨毂体，但重力铸造、低压铸造、重力铸造三种铸造方式哪种最适合桨毂体，还有待研究。随着计算机技术的发展，铸造工艺开始使用数值模拟技术来优化和改进工艺来提高产品质量，缩短产品开发周期4。铸造过程的计算机模

3、拟技术已成为当今国际公认的制造科学与材料科学的主要前沿领域，也是改造传统铸造产业的必由之路。通过铸造过程数值模拟技术辅助设计，可直观考察铸件充型凝固过程中多力场作用下流场、温度场的演化，结合判据函数对铸件常见缺陷进行预测，验证工艺设计的合理性，优化工艺参数，从而有效提高工艺设计能力5。铸件的形成经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到流动、冷却和收缩3种物理现行。与流动相关的主要铸造缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；凝固过程中的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因。这些缺陷对铸件的质量和性能具有潜在的危害性。采用计算机数值模拟的方法，对铸件在浇注、凝固过程中可能产生的缺陷进行有效的预测，

4、改进产品的设计和生产，是确保铸件的质量重要途径之一。ProCAST软件采用有限元方法进行模拟计算，可以进行传热计算、充型流动过程计算、热场耦合应力场计算及缩孔缩松预测模拟。除砂型铸造外，ProCAST软件适合模拟的铸造方法还有：半固态铸造、离心铸造、倾斜铸造、精密铸造、压铸、低压铸造、离心铸造等特种铸造方法6。实践证明ProCAST软件可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程7。本课题以桨毂体为载体，利用UG软件建立其三维模型，采用ProCAST对重力铸造、低压铸造、离心铸造三种铸造方式的铸件充型及凝固过程进行了模拟，能够直观地观察整个充型和凝固过程，使其以三维形式真实、直观地展现出来

5、。分析比较其流场分布、固相率分布、缩松分布等模拟结果，从而得到桨毂体最适合的铸造方式，并对该铸造工艺进行优化及深入研究分析。3、国内外研究概况及发展趋势铸造凝固方面的模拟先于充型过程的模拟，它开始于 60 年代8-10，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。20 世纪 80 年代是数值模拟研究最为活跃的时期，代表性的研究工作包括：1984

6、 年 P.R. Sahm 和 P.N. Hansen 及其合作者在德国所做工作11，1984 年J.T.Berry 和 J.A.M.Boulet 在美国所做工作12，以及 1987 年日本的 I. Ohnaka 及其同事的研究工作13。充型流动的模拟直到 80 年代初14-17，台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 等人相继取得了研究进展。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

7、数值模拟计算模型，把 MAC 和 SOLA 结合在一起研究三维流动的问题18。与温度场数值模拟相比较，由于流场涉及自由表面、流动中的速度和压力以及紊流等更多方面的问题，尤其求解压力场是最消耗时间的，在实际应用中，往往难以满足工艺分析人员的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就变成了一个非常重要的问题。在此领域，已经进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的时限、计算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充型过程数值模拟的发展已经进入工程实用化阶段19。1991 年，Kyono 大学的 Ju, Dong-Ying 应用有限元法计算了离心铸造过程中的热传导问题；1992 年，该校的 Ino

8、ue. T 和 Ju, Dong-Ying 进行了离心铸造温度场和应力场的研究；1995 年，日本的 Ken Jchiro 等人通过对重力场下铸件产生的铸造缺陷与在不同转速的离心力场下铸件产生的铸造缺陷进行对比与实验观察分析20。1996 年，中科院的 Zhang Weiqiang 对电磁搅拌离心铸造过程的二维情况进行了数值模拟研究，经研究证明了铸件质量受离心力的影响很大。沈阳金属研究所的杨院生等人也对电磁场和离心力场下的铸件宏观组织进行了数值模拟研究21,22。2000 年，吉林工业大学材料学院的张新平等人采用差分法离散二维柱坐标系下不稳定热传导微分方程，通过编程，获得相关数据文件，再采用

9、Mathcad软件处理数据文件得到温度场分布图，模拟复杂的自硬砂型离心铸造体系温度场，并由此对 Al-16Si 梯度功能材料制备过程中发现的铸件内、外缩孔进行了分析 23。在 2004 年召开的第六届环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际会议中，中国台湾文瑞哲等介绍了开发的离心铸造充型过程计算机模拟系统24。对于三维情况下的离心充型过程，哈尔滨工业大学的安阁英、徐达鸣等人做了大量研究。李鑫、徐达鸣、安阁英等人建立了离心力场下铸造充型流动的数学模型，研制开发了离心力场铸造充型的计算机模拟软件，并模拟分析了实际钛合金铸件的离心铸造充型情况，并与重力充型工艺方案进行了对比25。低压铸造充型过程数值模目前

10、主要集中在铸件及模具温度场分析、充型过程的流动分析以及流动与温度的耦合计算等方面。1982年，日本的Y.ohtsuka，K.Mizuno采用有限差分法对铝合金低压铸造过程进行了二维非稳态传热问题分析，同时对实际的铝合金轮毅铸件进行了分析计算，模拟了铸件的凝固顺序、模具的温度波动以及缺陷可能发生的部位，模拟结果与实测结果吻合较好。1988年，加拿大的 Franco Chiesa对重力铸造和低压铸造数值模拟进行了大量的研究，并取得了许多成果；日本著名学者大中逸雄于上世纪90年代初进行了低压金属型铸造流动、充型过程的模拟，并与实验结果进行了比较，但是他只考虑了流动却没有考虑传热方面的问题。1995年

11、，韩国学者Jeong一kilCho:对低压铸造的流动充型、传热进行了全面的分析研究，开发出了EASY-FAST和EASY-CAST两套软件系统。国内对低压铸造模拟的研究比较多的有清华大学，针对低压铸造圆盘类铸件的充型特点设计开发一套实用的简化充型模拟程序，应用于铝合金轮毂铸件的充型模拟。模拟结果表明，铸件充型过程合理，所获得的初始温度场温度分布合理，并与采用SOLA-VOF算法的模拟结果吻合。该简化算法的开发，解决了在低压铸造铝合金轮毅充型模拟研究中采用SOLA-VOF算法运算时间过长，难以在实际生产中应用的困难，可以在较短时间内获得铸件的初始温度场，应用于后续的凝固模拟26。随着计算机模拟技

12、术的快速发展，相继成功开发一系列专用的铸造模拟软件，比较出名的有：德国 Magma 公司的 MAGMASOFT 软件、美国流体科学公司的 Flow-3D、法国 ESI 公司的 ProCAST、英国格林威治大学的PHYSICA 软件、法国 CEMEF 的 THERCAST 软件、日本大阪大学由 Ohnaka教授开发的的 Ohnaka 软件技术、ANSYS 公司的 CFX 软件、AnyCasting 铸造软件、华中科技大学的华铸 CAE 等6。目前对船用桨毂体铸造工艺的研究中，应用数值模拟技术比较不同种铸造方法的相关研究很少。随着CAD/CAE技术的发展，本着节约能源，缩短生产周期的目的，通过计算

13、机数值模拟技术辅助设计，对船用桨毂体不同种铸造方法进行数值模拟，并对其进行工艺优化来指导实际生产，是必然趋势。4、本论文主要研究目标基于此，本课题旨在完成下列目标：1）据企业提供的船用桨毂体重力铸造工艺图纸、结构与工艺参数等，利用UG NX7.0完成对桨毂体的三维几何模型；并利用有限元软件ProCAST，对桨毂体三维模型进行网格划分。2）针对由企业提供的船用桨毂体重力铸造工艺方案，设置其相应的材料参数、初始条件、边界条件及运行参数等，并对重力铸造工艺方案进行计算，得到模拟结果，并与铸造实际情况进行对比。3）根据船用桨毂体形状特征及重力铸造模拟初步结果，对其进行离心铸造和低压铸造的工艺方案设计，

14、并利用有限元软件ProCAST进行计算，并对结果进行分析。 4）对三种铸造方式的数值模拟计算结果进行综合分析，选择最优铸造方式，并对最优铸造方式的各项铸造工艺参数进行进一步优化分析，从而为实际船用桨毂体的生产提供参考和指导。5）完成工艺方案设计的同时，结合实验结果对模拟结果进行比对分析，并通过反算法完成对换热系数的修正。5、参考文献1 薛红军，谢清程，周剑平，易小久.某型调距桨装置桨毂强度有限元分析研究J. 船舶工程，2007，29(1):29-30.2 李锡年. 立式离心铸造技术及其应用J.铸造技术，1999，（1）：10-13.3 Penghuai Fu，Alan A. Luo，Haiya

15、n Jiang，Liming Peng，Yandong Yu，Chunquan Zhai， Anil K. Sachdev. Low-pressure die casting of magnesium alloy AM50:Response to process parametersJ. Journal of Materials Processing Technology，2008，,25（1-3）：224-234.4 JOOLY M R. Cost benefits of solidification simulation to foundry usersJ. Foundryman, 199

16、4(1):11-18.5 楚玉东，常辉，黄东，南海，钟宏，赵亚利，李金山. ZTC钛合金机匣构件离心铸造过程的数值模拟J. 特种铸造及有色合金，2012，32(2)：133-136.6 李日.铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通M. 北京：中国水利水电出版社，2010.7 杨亚杰.铸造模拟软件ProCASTJ.软件世界，2008:209-210.8 K. Forsund. Das Eindringen von Stahl in Formsand Einflub der Oberflachen reaktion under Temperatur. Giesserei Techn Wiss Be

17、ih. 1962,14(2):5161.9 G. J. Henzel, G. J. Keverian. Comparison of Calculated and Measured Solidification Pattern in A Variety of Casting. AFS. 1965:1930.10 G. J. Henzel, G. J. Keverian. Computer Programs for Heat Flow Calculations. Transactions. 1966:661679.11 P.R. Sahm, P.N. Hansen. Numerical Simul

18、ation and Modeling of Heat and Solidification Processes for Foundry and Cast House. CIATF Zurich, 1984：2123.12 J.T.Berry, J.A.M.Boulet. The Application of Geometric Modeling to Metal Casting Technology. Solid Modeling by Computer from Theory to Application. Plenum Press, 1984：105106.13 I. Ohnaka, T.

19、Aizawa, etc. Computer Simulation of Solidification Processing. The Metals Society, 1987：268270.14 W. S. Huang, R. A. Stoehr. Fluid Flow Modeling for Computer Aided Design of Casting. Journal of Metals. 1983(10):2229.15 R. A. Stoehr, W. S. Hwang. Modeling the Flow of Molten Metal Having A Free Surfac

20、e during Entry into Molds. Proc.of Modeling and Control of Casting and Welding Processes II. TMS. 1983:4758.16 P. V. Desai. Computer Simulation of Forced and Natural Convection during Filling of a CastingJ. AFS Trans. 1984:519528.17 王君卿. 铸型充填过程模型化及流动场数值模拟J. 铸造. 1987;(12):202218 H. J. Lin, W. S. Huan

21、g. Combined Fluid Flow and Heat Transfer Analysis for the Filling of CastingsJ.AFS Trans. 1988:447458.19 熊守美，柳百成，许庆彦等. 铸件充型凝固过程数值模拟研究. 现代铸铁，2002(1)：1620.20 K. J. Suzuki, K. Nishikawa, S. Watakabe. Mold Filling and Solidification during Centrifugal Precision Casting of Ti-6Al-4V Alloy. Materials Tran

22、sactions.1996,37(12):17931801.21 杨院生, 刘清民, 焦育宁, 葛云龙, 胡壮麒. 液态金属电磁离心凝固的力场分析. 金属学报. 1994,30(B5):209212.22 Y. S. Yang, Q. M. Liu, H. R. Guan, Y. N. Jiao, W. Q. Zhang, Z. Q. Hu, J. S. Zhang, G. L. Jia, G. Z. Zhang, Y. Y. Cao. Effect of Fluid Flow on Eutectic Carbide of Steel HK40. Proceedings of the 2nd

23、Pacific Rim International Conference on advanced Materials and Processing. The Korean Institute of Metals and Materials. 1995:149153.23 张新平, 于思荣, 孟长生, 何镇明. 离心加速条件下金属凝固过程及缩孔缺陷数值分析. 铸造. 2000,49(10):785788.24 R. J. Weng, J. Haur, W. S. Huang. Application of Mold Filling Analysis in the Design of Centri

24、fugal Casting Process for A Casting of Turbine Disc with BladesA. Proc. of MCSP C. 2004:131140.25 李鑫. 离心铸造充型凝固过程数值模拟研究. 哈尔滨工业大学硕士论文.2001:4952.26 贾良荣，熊守美等.压力铸造充型过程流动与传热数值模拟的研究J.清华大学学报(自然科学版)，2001，(2):81.二、研究内容和方法（1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平；2、技术路线和研究方案；3、研究进度计划）1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平本课题基于校企合作项目对船用桨毂体进行计

25、算机辅助优化设计，对三种铸造方法分别进行工艺设计和数值模拟分析。为了使模拟条件更接近于实际情况，得到更准确的模拟结果，本课题结合实验，对铸件/铸型换热系数进行反算，使得换热系数取值更接近于实际。目前，国内外对船用桨毂体的模拟计算研究较少，因此，本课题希望通过运用ProCAST软件对船用桨毂体进行数值模拟，得到船用桨毂体的最佳铸造方法，并对其进行优化研究，得到船用桨毂体的最佳工艺方案。2、技术路线和研究方案技术路线：如报告最后页。研究方案：1）根据企业提供的船用桨毂体重力铸造工艺图纸、结构与工艺参数等，用UG NX7.0建立桨毂体的三维几何模型；并利用有限元软件ProCAST，对桨毂体三维模型进行网格划分，做到重点部位局部细化网格，其他部位适当粗化网格，以达到既保证计算精度与准度又提高计算速度的目的。2）依据船用桨毂体重力铸造工艺方案，设置其相应的材料参数、初始条件、边界条件及运行参数等，并对重力铸造工艺方案进行计算，得到初步模拟结果。3）根据船用桨毂