基于procas的二重上板梁凝固過程有限元模擬

基于procas的二重上板梁凝固過程有限元模擬

在過去40年的計算過程中，計算機數(shù)值模擬技術(shù)的研究和開發(fā)經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜、從宏觀到微觀，從實驗室到工業(yè)實踐的一些過程之后。數(shù)值模擬仿真技術(shù)已逐步走向成熟應(yīng)用并已成為多數(shù)鑄造企業(yè)不可缺少的技術(shù)手段。在鑄造生產(chǎn)中,裂紋和變形是鑄鋼件尤其是大型鑄鋼件中普遍存在的鑄造缺陷,這對鑄件的形狀、尺寸精度和使用性能有很大的影響,甚至給企業(yè)造成巨大損失。這兩種鑄造缺陷都直接和凝固過程中熱應(yīng)力的產(chǎn)生與發(fā)展有關(guān)。對鑄件凝固過程進行熱應(yīng)力數(shù)值模擬可以更好地了解鑄件凝固過程中應(yīng)力和變形的動態(tài)變化,在此基礎(chǔ)上研究和預(yù)測熱裂,并且對鑄件進行殘余應(yīng)力和殘余變形分析,可以為實際生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。而Procast有限元模擬軟件能預(yù)先對大型鑄鋼件的鑄造過程進行流場、溫度場和應(yīng)力場進行較好的耦合計算模擬,可以很好預(yù)測應(yīng)力、裂紋和變形情況,并因此改進工藝以盡量減少甚至消除缺陷,從而減少了后續(xù)處理工序,降低了生產(chǎn)成本和周期,提高了企業(yè)生產(chǎn)效益。上板梁是由重機公司承擔(dān)鑄造和加工任務(wù)的中國二重項目,是世界上最大噸位油壓機8萬噸油壓機的主體設(shè)備,主要起支撐,并傳遞超大壓力的作用。因此,對上板梁的鑄造質(zhì)量要求高,在實際生產(chǎn)過程中要嚴格限制夾雜物、縮孔縮松、裂紋變形等鑄造缺陷。1鑄造工藝設(shè)計中的大冒口本文所要進行模擬的上板梁的基本輪廓尺寸為長12.56米,寬5.88米,厚0.95米,毛重275噸,澆冒口重160噸,總鋼水量435噸。圖1為上板梁鑄造工藝簡圖。該鑄件采用3個小冒口和一個大冒口進行補縮,其中的大冒口是重機公司迄今為止鑄造工藝設(shè)計中使用過的最大冒口,它是整個鑄件冷卻最緩慢,偏析最大的部位。生產(chǎn)中采用地坑造型,背砂用水玻璃石英砂,面砂用鉻鐵礦砂,厚度為30-50mm。在冒口不易補縮的部位加設(shè)冷鐵以增大冒口補縮效果,共在側(cè)面和底面放20塊掛砂外冷鐵。此外,在預(yù)計應(yīng)力較大部位加設(shè)拉筋,以減少鑄件在冷卻凝固過程中的局部位置發(fā)生熱裂和冷裂的可能性。鑄件澆注溫度為1560℃-1570℃,在地坑中保溫大約28天使鑄件最高溫度小于350℃打箱起坑。由于鑄件凝固、冷卻過程中與型腔的熱作用時間相當(dāng)長,實際生產(chǎn)中易產(chǎn)生縮孔縮松,熱裂紋等缺陷,尤其是在冒口根部、橫向的長凹槽處以及幾處大的拐角處容易產(chǎn)生裂紋。表1給出了上板梁的化學(xué)成分。2場、磁場模擬分析Procast是由美國UES公司開發(fā)的鑄造過程模擬軟件,采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計算和綜合求解的方法,對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場、電磁場進行模擬分析,它是在所有鑄造軟件包中集成化程度最高的現(xiàn)代CAD/CAE系統(tǒng)。Procast整個軟件包含6個模塊,Meshcast用于建立分析時所需的幾何體有限元模型,Precast用于設(shè)定分析模型的材料性質(zhì)、邊界條件與分析的求解參數(shù),Datacast則是將上一個程序所設(shè)定的條件轉(zhuǎn)為可被Procast讀取的文件,Procast則為求解的計算器,Viewcast則是將求解后的分析資料輸出,為工程師提供圖形化的參考信息,應(yīng)用Procast進行應(yīng)力場模擬的整個流程如圖2所示。2.1有限元網(wǎng)格剖分有限元分析前處理包括三維模型的建立,網(wǎng)格的剖分以及模擬參數(shù)的設(shè)置三部分。在應(yīng)力場模擬計算前首先需要對整個鑄造系統(tǒng)(包括鑄件、鑄型、冷鐵、澆道及冒口)進行三維模型建立,然后再對三維模型進行有限元網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分是有限元分析中一個非常重要的環(huán)節(jié),它直接影響到計算的精度、計算的效率及計算結(jié)果存儲空間的占用大小,因此一個合理網(wǎng)格剖分往往可以達到事半功倍的效果。由于本廠計算機性能有限,因此為了縮短模擬時間以在可以接受的計算時間內(nèi)得到模擬結(jié)果,在剖分網(wǎng)格時加大了網(wǎng)格單元尺寸,并且利用Procast的對稱面設(shè)置功能給整個計算區(qū)域設(shè)置了對稱面,只剖分一半?yún)^(qū)域進行計算。本文對上板梁鑄造模型所剖分得到的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示,共劃分得到網(wǎng)格單元總數(shù)397128個,節(jié)點總數(shù)83606個。有限元網(wǎng)格剖分完成后就要對模擬計算運行所需各類參數(shù)的設(shè)置,分別包括對模擬體各部分材料的分配、各部分界面條件的設(shè)置、邊界條件的設(shè)置、重力方向及大小的設(shè)置、初始條件設(shè)定以及具體運行參數(shù)的設(shè)定。2.2應(yīng)力場模擬結(jié)果分析(1)凝固冷卻過程中的應(yīng)力場分布本文應(yīng)力場模擬的終止條件是當(dāng)整個模擬體內(nèi)最高溫度到達350℃時停止計算,到達此溫度時鑄件在坑中的保溫時間已足夠,可以進行打箱落砂。此時鑄件在凝固冷卻過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力場分布狀況已基本確定。整個上板梁的應(yīng)力場在此刻的分布狀況如圖4所示。由圖可知,凝固冷卻過程中產(chǎn)生應(yīng)力較為集中的部位在長凹槽處、橫縱兩主體相交拐角處以及冒口根部,尤其是左右兩個小冒口根部位置處。(2)凝固冷卻過程組織上板梁變形特征由于上板梁在凝固冷卻過程中會不斷的產(chǎn)生收縮,導(dǎo)致鑄件在各方向上產(chǎn)生位移,又由于鑄件本身結(jié)構(gòu)以及泥芯的阻擋作用而產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度時就產(chǎn)生塑性變形乃至裂紋。圖5、圖6分別為上板梁在凝固冷卻過程中產(chǎn)生的在長度方向和寬度方向上的位移量分布狀況,圖7為凝固冷卻后上板梁各部位產(chǎn)生的塑性應(yīng)變分布狀況。從圖5和圖6中可以看出整個鑄件總體由四周向中間大冒口位置收縮產(chǎn)生位移,但由于鑄型以及長條凹槽泥芯的阻擋,在左右兩個小冒口根部、橫縱兩主體相交拐角處、長條凹槽處以及大冒口下的半圓缺口出不易產(chǎn)生位移,因此導(dǎo)致這些部位產(chǎn)生應(yīng)力集中并發(fā)生塑性應(yīng)變。由此可以看出圖4~圖7所顯示的結(jié)果較為一致、吻合。3鑄型阻隔引起應(yīng)力集中從以上對上板梁凝固冷卻過程應(yīng)力、位移和變形分布狀況模擬結(jié)果分析可以得出如下結(jié)論:(1)冒口根部尤其是左右兩邊的小冒口根部由于鑄型阻擋產(chǎn)生應(yīng)力較為集中,因此需要適當(dāng)加大過渡圓角。(2)橫縱兩主體相交拐角處也由于鑄型阻擋,不易自由收縮而產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)在左右拐角處設(shè)置加強筋。(3)橫向長條凹槽處由于長泥芯的阻擋不易自由收縮而產(chǎn)生應(yīng)力集中,應(yīng)增加長條泥芯的退讓性。(4)大冒口下半圓缺口處也易收縮受阻產(chǎn)生