鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)

鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)

0國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬技術(shù)是該學(xué)科發(fā)展的向前之一。它包括對(duì)薄帶結(jié)構(gòu)、硬化過(guò)程、縮張和收縮孔的預(yù)測(cè)、熱裂隙的計(jì)算機(jī)模擬以及計(jì)算機(jī)模擬軟件的開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)幾十年的努力，經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)研究階段、預(yù)測(cè)研究階段和優(yōu)化研究階段，一些技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際工程應(yīng)用階段，尤其是熱場(chǎng)的模擬技術(shù)相對(duì)成熟。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)噲D介紹國(guó)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(guò)程有關(guān).為了控制充型順序和流動(dòng)方式.對(duì)充型過(guò)程進(jìn)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(jì)算和流量修正等方法進(jìn)行研究改進(jìn).有的研究在對(duì)層流模型進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之后.用K-ε雙方程模型模擬鑄件充型過(guò)程紊流現(xiàn)象.目前.雖然已研究了許多算法.如并行計(jì)算法、三維有限單元法等.但最好的算法仍然沒(méi)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(wú)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(guò)程計(jì)算機(jī)模擬中占主導(dǎo)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(kāi)始.充型模擬的另一發(fā)展趨勢(shì)是澆注系統(tǒng)輔助設(shè)計(jì).R.McDavid和J.Dantzig在這方面進(jìn)行了嘗試.并取得了一定的成果.2鑄鋼件縮松、縮孔預(yù)測(cè)方法鑄件縮松、縮孔形成的模擬預(yù)測(cè)是鑄件充型凝固過(guò)程模擬軟件的主要功能之一.目前國(guó)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(cè).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(shí)比較有效.由于石墨鑄鐵凝固時(shí)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(zhuān)門(mén)的判據(jù).鑄鋼件縮松、縮孔預(yù)測(cè)判據(jù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,從最初的定性溫度場(chǎng)熱節(jié)法,發(fā)展到后來(lái)的E.Niyama提出的G/R1/2法,再到后面的流導(dǎo)法、固相率梯度法等定量預(yù)測(cè)方法,無(wú)論從精度還是從使用范圍看,均達(dá)到了較高的水平,可以有效地預(yù)測(cè)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(cè)一直缺乏可靠有效的判據(jù).1994年,李嘉榮等在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了球墨鑄鐵縮松、縮孔形成預(yù)測(cè)的“收縮膨脹動(dòng)態(tài)疊加法(DECAM)”,該法基于Fe-C平衡相圖,用杠桿原理計(jì)算凝固過(guò)程中收縮和膨脹量,將收縮和膨脹量進(jìn)行疊加,可以預(yù)測(cè)球墨鑄鐵件縮松、縮孔的形成.李文珍等在進(jìn)行球墨鑄鐵微觀模擬的基礎(chǔ)上,從微觀形核和生長(zhǎng)的角度建立了球墨鑄鐵在凝固過(guò)程中的體積變化模型,并進(jìn)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(cè)方法微觀模擬法(MMM).國(guó)外一些研究者也提出了定量計(jì)算球墨鑄鐵凝固過(guò)程中體積變化的模型.目前,球墨鑄鐵縮松、縮孔預(yù)測(cè)方法已部分投入實(shí)用化.3應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的現(xiàn)狀凝固過(guò)程熱應(yīng)力模擬主要針對(duì)鑄件的殘余應(yīng)力和殘余變形,現(xiàn)已經(jīng)歷了由自己開(kāi)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(zhuān)業(yè)軟件三個(gè)階段.國(guó)內(nèi)的研究還基本上處于第二階段.一般采用自行開(kāi)發(fā)有限元應(yīng)力分析程序來(lái)處理研究連鑄、半連鑄及鑄錠等能夠簡(jiǎn)化為一維或二維的問(wèn)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(xué)較早的進(jìn)行鑄件和連鑄坯的應(yīng)力數(shù)值模擬.國(guó)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(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)環(huán)境,在這些軟件上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),加入適合鑄造過(guò)程應(yīng)力模擬的力學(xué)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(duì)于一般鑄造技術(shù)人員來(lái)說(shuō),此類(lèi)軟件的易用性和專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的凝固模擬軟件具有較大差距.近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外部分專(zhuān)門(mén)用于鑄件凝固過(guò)程的數(shù)值模擬軟件,已具有應(yīng)力分析功能.同時(shí)也建立了不同的數(shù)學(xué)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(lái)的流變學(xué)模型,其中統(tǒng)一變量模型和流變學(xué)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(diǎn).流變學(xué)模型用簡(jiǎn)單的流體模型和力學(xué)模型來(lái)描述鑄造合金在固液兩相區(qū)的流動(dòng)及變形規(guī)律,從而準(zhǔn)確地反映流動(dòng)變形隨時(shí)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(dòng)與傳熱,用FEM計(jì)算應(yīng)力.應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬雖然取得了一定的進(jìn)展,但整體還處于初步研究階段,離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離.4熱裂的預(yù)測(cè)熱裂是鑄件最嚴(yán)重的缺陷之一,本世紀(jì)初,鑄造工作者就開(kāi)始研究熱裂形成機(jī)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(qiáng)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(zhǔn)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(bǔ)縮能力及該處的折算厚度均對(duì)熱烈的生成有直接的影響.(3)鑄型的熱膨脹及其對(duì)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(rèn)識(shí),有人提出從定量角度去預(yù)測(cè)熱裂,認(rèn)為熱裂與熱節(jié)處凝固前沿的運(yùn)動(dòng)速度以及該處的應(yīng)變速度有關(guān),當(dāng)其他因素不變時(shí),這兩個(gè)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(dāng)Kw小于某一臨界值時(shí)就會(huì)有熱裂產(chǎn)生.目前熱裂的模擬和預(yù)測(cè)可歸納為如下四種方法:①基于凝固條件與補(bǔ)縮能力,采用凝固與補(bǔ)縮模型;②基于鑄件高溫應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng);③基于一維受阻模型;④基于流變學(xué)模型,其中基于流變學(xué)模型的熱裂模擬是近幾年發(fā)展起來(lái)的新方向,其先決條件是鑄造合金流變參數(shù)的測(cè)定.鑄造工作者先后測(cè)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(kāi)發(fā)的三維軸對(duì)稱(chēng)熱應(yīng)力軟件預(yù)測(cè)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(lái)處理,實(shí)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(duì)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(shí)變性,只有動(dòng)態(tài)地考察三種應(yīng)變的時(shí)變性,才能建立比較準(zhǔn)確的熱裂判據(jù),所以,目前的熱裂理論尚不能對(duì)熱裂進(jìn)行定量描述.5數(shù)值模型的建立微觀組織模擬可通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)預(yù)測(cè)鑄件微觀組織形成,進(jìn)而預(yù)測(cè)鑄件的力學(xué)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(gè)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(lái)分析枝晶端部、共晶薄層或球粒的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng).近年來(lái),隨機(jī)方法如MonteCarlo法或CelluarAutomaton法已經(jīng)被用于晶粒組織形成及生長(zhǎng)的模擬中.現(xiàn)在已能夠模擬枝晶生長(zhǎng),共晶生長(zhǎng),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(duì)凝固過(guò)程中的枝晶組織模擬進(jìn)行了回顧,評(píng)述了隨機(jī)論方法和決定論方法的發(fā)展?fàn)顩r,相對(duì)比較而言,隨機(jī)論法則只能將能量方程與形核和生長(zhǎng)結(jié)合起來(lái);而決定論模型可以把凝固過(guò)程中所涉及的物質(zhì)守恒方程與晶粒形核和生長(zhǎng)的微觀模型結(jié)合起來(lái),無(wú)疑更接近于實(shí)際過(guò)程的物理機(jī)制.特別是它考慮了宏觀偏析和固態(tài)傳輸.隨機(jī)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(xué)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(lái)計(jì)算三維鑄件的溫度場(chǎng),CA形核和生長(zhǎng)算法則用來(lái)預(yù)測(cè)晶粒組織的形成.二者耦合可以對(duì)枝晶生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和潛熱釋放進(jìn)行模擬.相場(chǎng)法的研究是直接微觀組織模擬的熱點(diǎn).相場(chǎng)理論通過(guò)微分方程反映了擴(kuò)散、有序化勢(shì)及熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的綜合作用.把相場(chǎng)方程與溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流速場(chǎng)及其它外部場(chǎng)耦合,則可對(duì)金屬液的凝固過(guò)程進(jìn)行真實(shí)的模擬.已有的工作包括:①多個(gè)晶粒生長(zhǎng)時(shí)多元相場(chǎng)的耦合,②枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中相場(chǎng)與溫度場(chǎng)或溶質(zhì)場(chǎng)的耦合,③在包晶和共晶凝固中雙相場(chǎng)與溶質(zhì)場(chǎng)的耦合,④當(dāng)存在強(qiáng)迫對(duì)流時(shí)相場(chǎng)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(guó)內(nèi)外目前的研究水平基本相當(dāng).G.Lesoult使用球鐵凝固的物理模型,模擬了過(guò)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(cè)了亞共晶和過(guò)共晶球鐵的微觀組織,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了共晶前和共晶階段的凝固,用圓柱形階梯試樣進(jìn)行了模擬和試驗(yàn)的比較.大連理工大學(xué)金俊澤領(lǐng)導(dǎo)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(lái),目前模擬對(duì)象都是集合形狀簡(jiǎn)單的小試樣,離實(shí)際工程應(yīng)用還有一段距離.為完善鑄件凝固過(guò)程的微觀模擬,還需要解決以下兩個(gè)問(wèn)題:①建立實(shí)際合金的晶粒生長(zhǎng)模型②完善算法,優(yōu)化算法,盡量減少計(jì)算量,以能計(jì)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(kāi)發(fā)起步于20世紀(jì)60年代,主要在以下三個(gè)方面取得了重要突破才使商品化軟件變?yōu)楝F(xiàn)實(shí).①有處理三維復(fù)雜形體的圖形功能;②硬件及軟件的費(fèi)用大幅度降到鑄造工廠能接受的水平;③計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及軟件對(duì)用戶(hù)友好.自從1989年世界第一個(gè)鑄造CAE商品化軟件-MAGMA展出以來(lái),凝固軟件的發(fā)展過(guò)程大致可分為三代:①第一代主要運(yùn)用簡(jiǎn)單模數(shù)計(jì)算方法模擬熱流動(dòng),不能顯示某一時(shí)刻鑄件或鑄型特定區(qū)域的溫度場(chǎng)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(chǎng)計(jì)算;④第三代模擬軟件運(yùn)用正確溫度場(chǎng)計(jì)算并與凝固期間補(bǔ)縮金屬流動(dòng)相結(jié)合,同時(shí)對(duì)凝固過(guò)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(shí)體方式顯示模擬結(jié)果,并同時(shí)顯示溫度變化、液固相變化及縮孔變化.目前發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家都有自己的商品化模擬軟件,如著名美國(guó)的ProCast,德國(guó)的MAGMA,芬蘭的CastCAE,西班牙的ForCast,日本的CASTTEM,法國(guó)的SIMULOR,瑞典的Novasolid等,許多軟件可以對(duì)砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造等進(jìn)行溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬,預(yù)測(cè)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(guó)的ProCast和德國(guó)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(cè)功能.在這方面國(guó)內(nèi)起步較晚,但進(jìn)展迅速,已開(kāi)發(fā)的商品化軟件主要有清華的FT-star,華中科技大學(xué)的華鑄CAE,其部分功能已與國(guó)外軟件相當(dāng).另外實(shí)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(diǎn).7鑄造cae軟件的應(yīng)用(1)鑄件充型過(guò)程模擬還沒(méi)有找到一個(gè)最好的算法,砂型鑄造模擬仍占主導(dǎo)地位,其它形式的模擬已經(jīng)起步,輔助設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)是充型模擬的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì).(2)縮松、縮孔的預(yù)測(cè)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