铸造过程数值模拟综合试验说明书

1、铸造过程数值模拟综合实验前言一、铸造过程数值模拟的来源、内容和意义为了生产出合格的铸件，就要对影响其形成的因素进行有效的控制。铸件的形成主要经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到液态金属充型流动、金属凝固和冷却收缩、高温金属冷却和收缩 3种物理现象。在充型过程中，流场、温度场和浓度场同时变化，凝固时伴随着温度场的变化的同时存在着枝晶间对流和收缩现象；收缩则导致应力场的变化。 与流动相关的主要缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；充型中形成的温度场分布直接关系到后 续的凝固冷却过程；充型中形成的浓度场分布与后续的冷却凝固形成的偏析和组织不均匀有 关。凝固过程的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要

2、原因，枝晶间对流和枝晶收缩是微观缩松的直接原因，热裂冷裂的形成归因于应力场的变化。可见，客观地反映不同阶段的场的变化，并加以有效的控制， 是获得合格铸件的充要条件。传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统一一铸造工艺的局限性表现在：1）只是定性分析；2）要反复试制才能确定工艺。铸造过程数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行数值解析以 获得合理的铸件形成的控制参数，其内容主要包括温度场、流场、浓度场、应力场等的计算模拟。二、铸造过程数值模拟原理铸造过程数值模拟技术的实质是对铸件成型系统（包括铸件一型芯一

3、铸型等）进行几何上的有限离散，在物理模型的支持下，通过数值计算来分析铸造过程有关物理场的变化特点， 并结合铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。数值解法的一般步骤是：1）汇集给定问题的单值性条件，即研究对象的几何条件、物理条件、初始条件和边界 条件等。2）将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理。3）建立内部节点（或单元）和边界节点（或单元）的数值方程。4）选用适当的计算方法求解线性代数方程组。5）编程计算。其中，核心部分是数值方程的建立。 根据建立数值方程的方法不同， 又分为多种数值方 法。铸造过程采用的主要数值方法有：有限差分法（ FDM）、直接差分法（DFDM ）、控制 体积法（

4、VEM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）等。比较常用的方法为有限差分法和有限单元法。有限差分方法（FDM）是计算机数值模拟最早采用的方法，该方法将求解域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域。有限差分法以Taylor级数展开等方法，把控制方程中的导数用网格节点上的函数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。该方法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观，表达简单，是发展较早且比较成熟的数值方法。分析对象为 边界里一面的全部图1有限差分法图示有限单元法（FEM）的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划 分为有限个互

5、不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点， 将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表 达式（形函数），借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数 和插值函数形式，便构成不同的有限单元法。分析对颦为分成有限十元事边界里面的牵部,图2有限单元法图示无论采用怎样的数值计算方法，铸造过程数值模拟软件都应包括三个部分：前处理一中间计算一后处理，如图3所示。其中，前处理部分主要为数值模拟提供铸件和铸型的几何信 息、铸件及造型材料的性能参数信息和有关铸造工艺信息。中间计算部分主要根据铸造过程涉及的物理场为数值计算提供计算模

6、型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系（判据）预测铸件质量。后处理部分的主要功能是将数值计算所获得的大量数值以各种直观的图形形式铸造过程的数值模拟实验将借助日本KUALICA株式会社的有限差分铸造模拟软件一一JSCAST和法国ESI公司的有限元铸造模拟软件ProCAST来实现，包括基于 JSCAST软件的铸件凝固过程模拟、铸件充型过程模拟和基于ProCAST软件的铸件应力模拟、铸件缺陷及铸造工艺分析四个实验。实验一 激光点光源加热过程的 ANSYS模拟一、Ansys原理Ansys是一个广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物、医学

7、等众多工业领域，集结构、热、流体、 电磁、声学于一体的以有限元分析为基础的大型通用CAE软件。能用Ansys分析的领域有：1）结构静力分析 求解外载荷引起的位移、应力和力。2）结构动力学分析求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。3）结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。4）动力学分析分析三维柔体运动，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。5）热分析可以处理传导、对流和辐射，还具有模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟 热与结构应力之间的热一一结构耦合分析能力。6）电磁场分析 主要是电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、 力

8、、运动效应、电路和能量损失等。7）流体动力学分析能进行流体动力学分析，并利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。8）声场分析研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析在流体中的固体结构的动态特性。9）压电分析分析二维或三维结构对交流、直流或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。10）多耦合场分析用Ansys解决问题的基本流程是：、实验目的本次实验通过用Ansys模拟物体在高密度点加热情况下的温度场,使对ANSYS在有限原计算中有的重要作用有着深刻的认识，了解数值模拟的原理， 并通过调整关键参数量,到不同的模拟结果来对热传导的基本原理进行了解。（在与前处理和求解过程已做成得Ansys的命

9、令流文件（*.log）,只需在heat.log文件中修改材料的导热系数、热容和密度，然后将 heat.log文件导入Ansys,就可计算出结果。）三、实验步骤设置工艺参数1、在D:盘下以学号-ANSYS为名新建一文件夹，将“铸锭温度场、凝固组织形成过程的数值模拟实验数据”文件夹内的heat.log文件拷贝到新建的文件夹里。2、打开heat.log文件，设置所对应的工艺参数（具体见“ heat.log文件工艺参数表”）后， 保存退出。启动Ansys3、由开始菜单启动 Ansys.设置工作目录4、在Ansys界面点击File Change Directory ,弹出浏览文件夹对话框，选择步骤1里新

10、建的文件夹后，点击确定。计算5、选择 File 一 Read Input From,将heat.log文件选择后，点击 OK ,等待Ansys计算 完全结束。6、计算结束后，就会出现物体在高密度点加热情况下的温度场结果。 数据后处理7、在左边菜单处点击General Postproc Read Results Last Set ,看最后一步的计算结果。8、左边菜单处点击 General Postproc Plot Results Contour Plot Nodal Solu , 出现 Contour Nodal Solution Data 对话框，点击 DOF Solution ,选择 Te

11、mperature,点 击OK。Ansys界面显示温度场云图，点击右边的菜单，调整一个合适的视图。9、点击顶部菜单 PlotCtrls Capture Image,保存温度场云图。点击 General Postproc f Path Operation f Define Path f By Location ,出现的对 话框里，在Name处填Line1 , nPts处填2 （2点画一直线），点击OK。出现一对话框， 在NPT处填1 （第1个点），X ,Y , Z处分别填0, 0, 0.2,点击OK。在出现的对话 框中，NPT处填2 （第2个点），X ,Y ,Z处分别填0, 0, -0.2,点击

12、OK。在出现的对 话框中点击Cancel o点击 General Postproc f Path Operation f Map OntoPath ,出现的对话框中， Lab 处填上步骤9中定义的路径名“ Line1，点击OK。点击 General Postpro Path Operation Plot Paths,温度场云图上将显示 “Line1 ” 直线。点击 General Postproc f Path Operation f Plot Path Item f On Graph,在出现的 对话框中选择“ Line1，点击OK。出现Line1线上的温度变化曲线。点击顶部菜单 PlotCt

13、rls Capture Image,保存曲线。点击 General Postproc f Path Operation f Plot Path Item f List Path Items,在出 现的对话框中选择Line1”,点击OK,点击File 一 Save as,保存曲线数据。退出Ansys,重复步骤215,在步骤2设置不同的工艺参数，观察曲线的变化。 输出要求：至少设置两种不同的工艺参数，保存其温度场云图以及相应的温度曲线。保存路径：“学号 ANSYS”，把结果最后上发送到自己邮箱，并将结果粘贴到实验报告的实验结果部分。四、思考题思考题1：导热系数的大小对温度场的影响是什么，为什么？思

14、考题2:热容的大小对温度场的影响是什么，为什么？思考题3:密度的大小对温度场的影响是什么，为什么? heat文件工艺参数表KEYW,PR_SET,1KEYW,PR_STRUC,0KEYW,PR_THERM,1KEYW,PR_FLUID,0KEYW,PR_ELMAG,0KEYW,MAGNOD,0KEYW,MAGEDG,0KEYW,MAGHFE,0KEYW,MAGELC,0KEYW,PR_MULTI,0KEYW,PR_CFD,0/GO!*/COM,/COM,Preferences for GUI filtering have been set to display:/COM, Thermal!*/

15、PREP7!*ET,1,SOLID87!*!*MPTEMP,MPTEMP,1,0MPDATA,KXX,1,0.0050导热系数(0.0025-0.0090 )MPTEMP,MPTEMP,1,0MPDATA,C,1,0.13 热容(0.10-0.20 )MPTEMP,MPTEMP,1,0MPDE,DENS,1MPDATA,DENS,1,1.7 密度(1.0-2.0 )SPH4,0,0,0.05/REPLOT实验二小方坯连铸过程数值模拟实验一、软件简介（原理）小方坯连铸软件是大连理工大学铸造中心为宝山钢铁公司开发的连铸方坯凝固进程数值模 拟软件系统。该软件系统可以在计算机上对不同工艺条件下宝钢电炉

16、炼钢厂的160X 160小方坯的凝固进程进行数值模拟分析。用户可以利用该软件系统提供的各种后处理模块分析铸 坯在不同时间不同部位的温度分布、温度梯度分布、固相率分布等，以及任意位置和时间段的冷却曲线。用户可以根据模拟计算的结果通过前处理模块修正和调整工艺参数，以保证最终计算结果达到优化目标的要求，为连铸工艺的优化提供分析工具。二、试验目的通过对小方坯凝固过程数值模拟软件的使用，学会如何利用数值模拟求解工厂实际条件下的连铸坯凝固过程。 利用改变结晶器参数，铸坯参数，计算二冷各段水量等环节，加深学生对连铸凝固过程基本原理的理解，了解凝固数值模拟的发展动态和工程应用情况。三、实验内容掌握方坯连铸的传

17、热理论公式推倒利用软件模拟方坯的连铸凝固过程根据拉坯速度和比水量计算出 2冷各段水量调整关键参数观察方坯连铸凝固过程的变化利用软件的后处理模块给出连铸方坯横截面的温度图和纵截面的温度图。TT Zm事FP2 r .-1匕1*青转，三1N . | 囿MC 通值软件整体界面图四、实验步骤前处理1、打开计算机电源，进入 windowsXP界面；2、打开资源管理器，在 D：盘下建立计算文件夹，文件夹名称为“ 学号连铸”，并将“连铸模拟实验”文件夹内的baosteel.par文件拷贝到新建立的文件夹中，关闭资源管理器；3、点击“桌面”上的“连铸方坯凝固模拟软件Ver2.1”图标，进入“连铸小方坯凝固过程的

18、计算机模拟实验”软件系统；4、在选择创建工作目录窗口，选择步骤2建立的工作目录，然后点击“确定”；5、点击“从文件装入参数”按钮后，显示“参数装入成功”窗口后，检查工艺参数设置值， 关闭该窗口；6、双击左侧树状分支的“开始 -前处理-铸坯参数”，进入“铸坯参数”窗口，将铸速修改为2.4后，点击“确定”按钮；计算和后处理7、点击“保存参数”按钮后，双击双击左侧树状分支的“开始-计算-计算160方坯”，软件开始计算。8、等大约4分钟后，计算软件自动退出，计算结束；9、点击后处理的各个显示方式。10、激活横截面温度分布后处理窗口后，首先要选择显示的类型，即动态的铸坯温度分布和固定位置温度分布。选择好

19、显示类型后，接下来选择显示的位置。选择显示位置时，可以直接将开始位置和结束位置输入编辑框， 也可以通过鼠标在示意图上直接点取， 开始位置是 用鼠标左键来点取， 结束位置是用鼠标右键来点取。 如果是固定位置温度分布显示类型， 在 选择显示位置时只选择一个位置。11、纵截面温度分布的窗口激活后，首先要选择截面的位置，即开始位置，结束位置和距侧面的距离。当用鼠标的左键点击示意图，就会将该点取为纵截面的开始位置，如果是用鼠标的右键点击示意图，那么就会将该点取为纵截面的结束位置。当鼠标在横截面的示意图上移动时，在图形显示窗口的中间动态显示距侧面的距离，如果用鼠标的左键点取， 就会将该距离取为距侧面的距离

20、。所有这些数据也可以通过纵截面温度分布窗口“显示位置”菜单来将这三个数值输入。图1横截面温度分布图图2纵截面温度分布图输出要求：保存其横纵截面的温度场图象， 并在图象上标明具有代表性的位置的温度值。 保存路径：“ 学号 连铸”，最后上发送到自己邮箱，并将结果粘贴到实验报告的实验 结果部分。五、思考题结合实验讨论以下问题（可选择其中任意两个问题回答）1推导空冷段换热系数的计算模型。2拉坯速度对连铸坯凝固进程有何影响，为什么3 二冷的比水量的变化对连铸进程有那些影响？4连铸工艺参数变化对连铸坯中心缺陷有何影响，为什么？实验三铸造应力的PROCAST数值模拟一、实验目的.应用ProCAST软件进行简

21、单铸件的应力模拟，了解应力计算的基本模型和原理， 了解在计算应力时的参数设置对计算结果的影响；.通过观察ProCAST后处理应力分布，初步判断铸件有裂纹倾向的位置。二、实验原理铸件应力场数值模拟的主要任务：分析计算铸件在凝固过程中的热应力的产生与变 化，预测铸件内的残余应力、残余应变和热裂倾向；并且借助计算分析结果优化铸件结构 或铸造工艺，进而消除热裂，减小变形，降低残余应变和残余应力。ProCAST的应力模块中包含 5个模型，分别为：Vacant、Rigid、Linear-Elastic （线弹性模型）、Elasto-Plastic （弹塑性模型）和 Elasto-ViscoPlastic

22、（弹-粘塑性模型）。Vacant表示 不进行应力计算的区域，Rigid区域中不作应力计算，但参与接触计算（即相邻域对刚体域的应力不产生形变）。线弹性模型、弹塑性模型和弹-粘塑性模型3个应力模型汇总在图 3-1 中：图3-1 ProCAST中的3个应力模型示意图.线弹性模型弹性模型以杨氏模量（E）为特征量，相当于应力-应变曲线初始的斜线部分，还应定义泊松比（N）和热膨胀系数（a（T）,它们的对应公式为：cr=E（a）（3-1）包=以方（3-2）d(3-3)；T =a(T)(T -Tref)其中，仃为纵向应力，名为纵向应变，ST为热应变，9d为横向应变，T为当前温度,T面为参考温度。.弹塑性模型对

23、于弹塑性模型，除了定义杨氏模量、泊松比和热膨胀系数外，还应定义屈服应力（仃。） 和硬化系数H（T）。屈服应力是开始发生塑性变形时的应力，是温度的函数，即：cr0 = f（T）,硬化系数为塑性阶段应力-应变曲线的斜率。在ProCAST中有两类硬化模型，分别为 Isotropic模型和Kinematic模型。Isotropic模型中包含线性硬化和非线性硬化，其中，线性硬化定义为：(3-4)pl-：0 H ,:式中，仃0为屈服应力，屋1为塑性应变，H为塑性模量；非线性硬化定义为：_ .pl仃=o3c+ （。0 一仃J（3-5）式中，a为硬化指数，00c为极限屈服应力；Kinematic模型下各向异性

24、的硬化行为定义为： pl,plx = b 名- c 噂 x（3-6）其中，b和c为系数，1为等效塑性应变率，x为背应力，对应于屈服面中心的移动。3.弹-粘塑性模型对此模型，定义线弹性模型（即杨氏模量、泊松比和热膨胀系数）和弹塑性模型（即杨氏模量和硬化系数等）时设定的参数均应定义。它有 3中可选模型：Perzyna、Norton和Strain Hardening Creep。（1） Perzyna 模型该模型可以对有阀值的二次蠕动（稳定态）进行模拟，8vp （粘性应变率）的公式如下：5P =1（仃 _.y ）p （ff*=1Mpa）（3-7）（二其中，刈为粘性参数（依赖O*的选择，否则无法模拟）

25、，仃y为当前流动应力，。呻为法向应力（一般推荐值为 1,与测量应力有相同的单位系统），p为粘性指数。（2）牛顿（Norton）模型该模型对没有阀值的二次蠕动（稳定态）进行模拟，wvp的公式如下：-Q _/=玩（二）p （。71Mpa）（3-8）n i*其中，Q为激活能，R为常数，Tk为温度，忽略屈服应力和硬化。(3)应变硬化蠕动(Strain Hardening Creep )模型该模型既可以模拟主蠕动（应变硬化），又可以模拟带阀值的二次蠕动（稳定态），8 vp的公式如下:-QRTkJ 字)。仁vp)q (o*=1Mpa)(3-9)其中，肃p为粘性应变，q为应变指数。、实验步骤（一）常规应力模

26、拟实验将D:shiyanStress文件夹中的Stress.igs”文件复制到 D盘学号_Stressf文件夹下 的“1”中（如果教材中提及的文件夹在D盘中不存在，应自己创建该文件夹） ，再进行以下操作。1.在MeshCAST中导入几何体，剖分网格。如图3-3所示为应力计算用装配图，由铸件和铸型两部分组成。在导入 ProCAST之前 （ProCAST主界面见图3-2）,需要将几何体保存为igs或者step格式，路径必须为全英文。I,&ESI Group匕曲CASTPreCASTDotaCASTProCASTVisuelKASTStELtUBFile HuiageiK国 L1MrSallat i

27、cxn. t iraErCcUiuidDirectorr :F;/jtre5s2ProCAST ”图3-2 ProCAST主界面MeshCAST ,点击File一 （见图3-4）。先点击Properties】15”，回车，点击匪剖分面网格，图3-3应力计算用装配图1）在MeshCAST中选择合适网格尺寸剖分面网格。打开 Open,选择igs格式打开Stress.igs”,出现网格剖分界面, 下的【Units!为“ mm”，然后在右下角输入网格尺寸为“点击团显示网格，如果点击 院检查网格无误，则点击 嗣进入体网格划分界面，（见图3-5）。Add:Store DeleteGroupsMTot Le

28、ngth图3-4面网格剖分面板图3-5体网格划分界面2）生成体网格。如图3-6所示，单击【Check Intersections网格无误后，点击Tet Mesh 下的【Generate Tet Mesh，得到铸件和铸型的体网格。单击 File save【Exit】。文件以mesh格式保存在默认目录下。Edit blesh Assemble Shell Tet Mesh-uto Fi Fillets Bad TrianglesAspect Ratio：:La.ers: |fuII La.erv|TstChea MeshCh卜 intersectionsSelect AllDeselect All

29、Appi； New Delete OptimizeMaterialsActi 此opw* -1LlattiidlYes2MatertaiYesI1图3-6生成体网格2.在PreCAST中导入砂型网格模型在文件管理器的 Case文本框中输入工程名 Stress”，再单击PreCAST菜单，见图3-7和3-8。点击File 一Open菜单，选择mesh格式的Stress.mesh文件。ProCUTCase jStrJ-leshCAST | PreCASTDataCASTProCAST ViaualChST StatusPreCAST图3-7输入工程名并单击 PreCAST菜单PfoCASTIiJi

30、! Jim叫 hfliTiiLi iMHdiA ”*! Mlui hwu ImiihSImNtOLl.；阿功于国（E 闽/3,检查几何体。文件读入后，PreCAST能够自动显示材料序号、总的节点和单元数以及单位和轮廓尺 寸。通过【Geometry Check Geometry 菜单也可以得到上步自动产生的信息，并且通 过该菜单还可以检查几何体可能存在的错误，见图3-9。G 工 华国函/ProCASTHr-Uc图3-9检查几何体4、设置铸件和铸型的材料属性(Materials/Assign )和相应的应力参数 (Materials/Stress),见图3-10。单击Materials 一【Assign】，铸件材料设置为 Steel-H13-Stress (序号3),左击【Type】 类型改为Casting ,铸型材料设置为SAND_Silica (序号111),点击Assign】。单击【Materials】一【Stress】设置铸件为 Steel-H13-Stress,铸型为 Rigid。IjY 1 SteelJH13-SlrsiCASTINGNO不 2 SJD_SHicai.ioqjDNDTyptE 刑叫Assign CancelCurlR