鑄造過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)

鑄造過程計算機數(shù)值模擬技術(shù)

0國內(nèi)外研究現(xiàn)狀鑄造過程的數(shù)值模擬技術(shù)是該學科發(fā)展的向前之一。它包括對薄帶結(jié)構(gòu)、硬化過程、縮張和收縮孔的預(yù)測、熱裂隙的計算機模擬以及計算機模擬軟件的開發(fā)。經(jīng)過幾十年的努力，經(jīng)過基礎(chǔ)研究階段、預(yù)測研究階段和優(yōu)化研究階段，一些技術(shù)已經(jīng)進入了實際工程應(yīng)用階段，尤其是熱場的模擬技術(shù)相對成熟。在這項工作中，我們試圖介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。1u2004其他方法的研究許多鑄造缺陷如卷氣、夾雜、縮孔等都與液態(tài)金屬的充型過程有關(guān).為了控制充型順序和流動方式.對充型過程進行數(shù)值模擬非常必要.其研究多數(shù)以SOLA-VOF法為基礎(chǔ).引入體積函數(shù)處理自由表面.并在傳熱計算和流量修正等方法進行研究改進.有的研究在對層流模型進行大量實驗驗證之后.用K-ε雙方程模型模擬鑄件充型過程紊流現(xiàn)象.目前.雖然已研究了許多算法.如并行計算法、三維有限單元法等.但最好的算法仍然沒有找到.常用的網(wǎng)格劃分為矩形單元(2D)或正交平行六面體(3D).日本的I.Ohnaka等人提出了無結(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.砂型鑄造的充型模擬研究在鑄造過程計算機模擬中占主導地位.然而消失模鑄造、金屬型鑄造等充型模擬的研究工作已經(jīng)開始.充型模擬的另一發(fā)展趨勢是澆注系統(tǒng)輔助設(shè)計.R.McDavid和J.Dantzig在這方面進行了嘗試.并取得了一定的成果.2鑄鋼件縮松、縮孔預(yù)測方法鑄件縮松、縮孔形成的模擬預(yù)測是鑄件充型凝固過程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)用于鑄件縮松、縮孔的預(yù)測.但是,大多數(shù)判據(jù)均是在用于鑄鋼件或不含石墨的鑄造合金時比較有效.由于石墨鑄鐵凝固時析出比體積較大的石墨,因此其體積變化較鑄鋼等復(fù)雜得多,必須采用專門的判據(jù).鑄鋼件縮松、縮孔預(yù)測判據(jù)經(jīng)過多年的發(fā)展,從最初的定性溫度場熱節(jié)法,發(fā)展到后來的E.Niyama提出的G/R1/2法,再到后面的流導法、固相率梯度法等定量預(yù)測方法,無論從精度還是從使用范圍看,均達到了較高的水平,可以有效地預(yù)測鑄件鋼中的縮松、縮孔.而鑄鐵件,特別是球墨鑄鐵件縮松、縮孔的預(yù)測一直缺乏可靠有效的判據(jù).1994年,李嘉榮等在大量試驗的基礎(chǔ)上提出了球墨鑄鐵縮松、縮孔形成預(yù)測的“收縮膨脹動態(tài)疊加法(DECAM)”,該法基于Fe-C平衡相圖,用杠桿原理計算凝固過程中收縮和膨脹量,將收縮和膨脹量進行疊加,可以預(yù)測球墨鑄鐵件縮松、縮孔的形成.李文珍等在進行球墨鑄鐵微觀模擬的基礎(chǔ)上,從微觀形核和生長的角度建立了球墨鑄鐵在凝固過程中的體積變化模型,并進一步提出了基于微觀模擬的球墨鑄鐵縮松、縮孔定量預(yù)測方法微觀模擬法(MMM).國外一些研究者也提出了定量計算球墨鑄鐵凝固過程中體積變化的模型.目前,球墨鑄鐵縮松、縮孔預(yù)測方法已部分投入實用化.3應(yīng)力場數(shù)值模擬的現(xiàn)狀凝固過程熱應(yīng)力模擬主要針對鑄件的殘余應(yīng)力和殘余變形,現(xiàn)已經(jīng)歷了由自己開發(fā)程序、采用已有的有限元應(yīng)力分析軟件、鑄件凝固模擬專業(yè)軟件三個階段.國內(nèi)的研究還基本上處于第二階段.一般采用自行開發(fā)有限元應(yīng)力分析程序來處理研究連鑄、半連鑄及鑄錠等能夠簡化為一維或二維的問題,軟件能力弱,并缺少完善的前后處理,因此受到很大限制.大連理工大學較早的進行鑄件和連鑄坯的應(yīng)力數(shù)值模擬.國外的一些大型通用工程有限元分析軟件,如ANSYS等,也可用于鑄件熱應(yīng)力的模擬.這些軟件具有強大的二次開發(fā)環(huán)境,在這些軟件上進行二次開發(fā),加入適合鑄造過程應(yīng)力模擬的力學本構(gòu)模型或邊界條件處理模型,可以節(jié)省很多不必要的工作.但對于一般鑄造技術(shù)人員來說,此類軟件的易用性和專門開發(fā)的凝固模擬軟件具有較大差距.近幾年來,國內(nèi)外部分專門用于鑄件凝固過程的數(shù)值模擬軟件,已具有應(yīng)力分析功能.同時也建立了不同的數(shù)學模型,主要有純彈性模型、彈塑性模型、彈塑性-蠕變模型、彈-粘塑性模型、統(tǒng)一變量模型和最近幾年發(fā)展起來的流變學模型,其中統(tǒng)一變量模型和流變學模型由于更接近于合金在鑄造中的物理本質(zhì)而逐漸成為研究的熱點.流變學模型用簡單的流體模型和力學模型來描述鑄造合金在固液兩相區(qū)的流動及變形規(guī)律,從而準確地反映流動變形隨時間的變化.另一種新的方法是將FDM(有限差分法)和FEM(有限元法)方法相結(jié)合,利用FDM分析流動與傳熱,用FEM計算應(yīng)力.應(yīng)力場數(shù)值模擬雖然取得了一定的進展,但整體還處于初步研究階段,離實際應(yīng)用還有一定距離.4熱裂的預(yù)測熱裂是鑄件最嚴重的缺陷之一,本世紀初,鑄造工作者就開始研究熱裂形成機理.迄今,在大量研究的基礎(chǔ)上已經(jīng)提出了幾種不同的理論,如強度理論、液膜理論、綜合理論等.歸納出熱裂的主要特征及影響因素如下[19～21]:(1)熱裂產(chǎn)生于準固相區(qū)內(nèi)靠近固相線溫度的一定溫度范圍內(nèi).(2)熱裂一般發(fā)生在收縮受阻的熱節(jié)處,此處在熱裂形成溫度范圍內(nèi)的凝固速度、補縮能力及該處的折算厚度均對熱烈的生成有直接的影響.(3)鑄型的熱膨脹及其對鑄件收縮的阻礙程度決定了該熱節(jié)處應(yīng)力水平的高低.基于上述認識,有人提出從定量角度去預(yù)測熱裂,認為熱裂與熱節(jié)處凝固前沿的運動速度以及該處的應(yīng)變速度有關(guān),當其他因素不變時,這兩個速度的比值即可作為判據(jù).另外一種判據(jù)綜合考慮上述所有因素,提出了如下公式:Kw=Tk-1/2/Ck-1,其中G,T分別表示溫度梯度和冷卻速度,當Kw小于某一臨界值時就會有熱裂產(chǎn)生.目前熱裂的模擬和預(yù)測可歸納為如下四種方法:①基于凝固條件與補縮能力,采用凝固與補縮模型;②基于鑄件高溫應(yīng)力應(yīng)變場;③基于一維受阻模型;④基于流變學模型,其中基于流變學模型的熱裂模擬是近幾年發(fā)展起來的新方向,其先決條件是鑄造合金流變參數(shù)的測定.鑄造工作者先后測定了ZL203合金,Al-Si合金,Al-Si-Cu-Mg合金的流變行為,及ZG35,ZG45,ZG15CrMoV,624等鋼種和ZQSn16-5銅合金的流變性能,劉馳采用一維流變模型模擬了帶有約束端的Al-Cu棒形試件和應(yīng)力框的熱應(yīng)力應(yīng)變,判斷了熱裂的形成情況,程軍用自行開發(fā)的三維軸對稱熱應(yīng)力軟件預(yù)測了了Al-Cu合金的熱裂形成.上述的熱裂判據(jù)都把應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律作為靜態(tài)來處理,實際上不應(yīng)只以接近固相線凝固的塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變極限和粘彈性應(yīng)變極限的相對大小以及應(yīng)力的大小作為熱裂判據(jù),由于三種應(yīng)變都具有時變性,只有動態(tài)地考察三種應(yīng)變的時變性,才能建立比較準確的熱裂判據(jù),所以,目前的熱裂理論尚不能對熱裂進行定量描述.5數(shù)值模型的建立微觀組織模擬可通過計算機模擬來預(yù)測鑄件微觀組織形成,進而預(yù)測鑄件的力學性能和工藝性能,最終控制鑄件的質(zhì)量,微觀組織模擬可分為三個層次:mm、μm和nm.宏觀量如溫度、速度等可以利用相應(yīng)的方程,通常采用有限元或有限差分求解,而在微觀領(lǐng)域內(nèi)則采用解析法來分析枝晶端部、共晶薄層或球粒的動力學生長.近年來,隨機方法如MonteCarlo法或CelluarAutomaton法已經(jīng)被用于晶粒組織形成及生長的模擬中.現(xiàn)在已能夠模擬枝晶生長,共晶生長,柱狀晶與等軸晶轉(zhuǎn)變等合金微觀組織變化.最近,Rappaz等人對凝固過程中的枝晶組織模擬進行了回顧,評述了隨機論方法和決定論方法的發(fā)展狀況,相對比較而言,隨機論法則只能將能量方程與形核和生長結(jié)合起來;而決定論模型可以把凝固過程中所涉及的物質(zhì)守恒方程與晶粒形核和生長的微觀模型結(jié)合起來,無疑更接近于實際過程的物理機制.特別是它考慮了宏觀偏析和固態(tài)傳輸.隨機論法更適合于描述柱狀晶粒組織的形成及柱狀晶和等軸晶的相互轉(zhuǎn)變.一些學者闡述了三維CelluarAutomaton有限元模型(CA-FE)模擬的原理及應(yīng)用.FE法用來計算三維鑄件的溫度場,CA形核和生長算法則用來預(yù)測晶粒組織的形成.二者耦合可以對枝晶生長動力學和潛熱釋放進行模擬.相場法的研究是直接微觀組織模擬的熱點.相場理論通過微分方程反映了擴散、有序化勢及熱力學驅(qū)動力的綜合作用.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行真實的模擬.已有的工作包括:①多個晶粒生長時多元相場的耦合,②枝晶生長過程中相場與溫度場或溶質(zhì)場的耦合,③在包晶和共晶凝固中雙相場與溶質(zhì)場的耦合,④當存在強迫對流時相場速度的耦合。球鐵微觀組織的模擬仍是主要的研究方向之一,國內(nèi)外目前的研究水平基本相當.G.Lesoult使用球鐵凝固的物理模型,模擬了過共晶與共晶球鐵冷卻中非共晶奧氏體的形成,并重新討論了模糊區(qū)的概念.M.Roman預(yù)測了亞共晶和過共晶球鐵的微觀組織,重點強調(diào)了共晶前和共晶階段的凝固,用圓柱形階梯試樣進行了模擬和試驗的比較.大連理工大學金俊澤領(lǐng)導的研究小組在鑄件的凝固組織微觀模擬方面也卓有成效.但總的看來,目前模擬對象都是集合形狀簡單的小試樣,離實際工程應(yīng)用還有一段距離.為完善鑄件凝固過程的微觀模擬,還需要解決以下兩個問題:①建立實際合金的晶粒生長模型②完善算法,優(yōu)化算法,盡量減少計算量,以能計算形狀復(fù)雜的鑄件.6第二代溫度變化的模擬鑄造CAE的研究開發(fā)起步于20世紀60年代,主要在以下三個方面取得了重要突破才使商品化軟件變?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計算機操作系統(tǒng)及軟件對用戶友好.自從1989年世界第一個鑄造CAE商品化軟件-MAGMA展出以來,凝固軟件的發(fā)展過程大致可分為三代:①第一代主要運用簡單模數(shù)計算方法模擬熱流動,不能顯示某一時刻鑄件或鑄型特定區(qū)域的溫度場變化,也不能正確模擬具有相鄰影響的復(fù)雜形狀鑄件的溫度變化;③第二代主要基于正確的溫度場計算;④第三代模擬軟件運用正確溫度場計算并與凝固期間補縮金屬流動相結(jié)合,同時對凝固過程合金中的重量影響和密度及合金結(jié)晶變化加以分析,可在選定的任一截面以二維和三維實體方式顯示模擬結(jié)果,并同時顯示溫度變化、液固相變化及縮孔變化.目前發(fā)達工業(yè)國家都有自己的商品化模擬軟件,如著名美國的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、精密鑄造等進行溫度場、流場及應(yīng)力場模擬,預(yù)測鑄件的縮松、縮孔、熱裂等缺陷和各部位的組織.其功能一方面正向低壓鑄造、壓鑄、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已增加了球墨鑄鐵組織中球墨球數(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,華中科技大學的華鑄CAE,其部分功能已與國外軟件相當.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.7鑄造cae軟件的應(yīng)用(1)鑄件充型過程模擬還沒有找到一個最好的算法,砂型鑄造模擬仍占主導地位,其它形式的模擬已經(jīng)起步,輔助設(shè)計澆注系統(tǒng)是充型模擬的一個發(fā)展趨勢.(2)縮松、縮孔的預(yù)測是大多數(shù)凝固模擬軟件的主要功能之一,鑄鋼件縮松、縮孔