铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究

铸造过程模拟仿真

铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。

铸造成型工艺

名词解释 1.材料成形技术：利用生产工具对各种原材料进行增值加工或处理，材料制备成具一定结构形式和形状工件的方法 2.液态成型：将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法 3.逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金在凝固中不存在固液两相并存的凝固区，所以固液分界面清晰可见，一直向铸件中心移动（铸铁） 4.糊状凝固：铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽且铸件界面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域（铸钢） 5.同时凝固原则：铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性 6.顺序凝固原则：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口本身凝固。 7.均衡凝固原则：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方式 8.砂型铸造：以型砂（SiO2）为铸型、在重力下充型的液态成形工艺方法 9.金属型铸造：以金属为铸型、在重力下的液态成形方法。 10.熔模铸：以蜡为模型，以若干层耐火材料为铸型材料，成形铸型后，熔去蜡模形成型腔，最终在重力下成形的液态成形方法 11.压力铸：把液态或半液态的金属在高压作用下，快速充填铸型，并在高压下凝固而获得铸型的方法 12.低压铸造：是液态金属在较小的压力（20—80Kpa）作用下，使金属液由下而上对铸型进项充型，并在此压力下凝固成型的铸造工艺 13.反重力铸造：液态金属在与重力相反方向力的作用下完成充型，凝固和补缩的铸造成型 14.离心铸造：将液态金属浇注到高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法 15.消失模铸造：用泡沫塑料制成带有浇冒系统的模型，覆上涂料，用干砂造型，无需取模，直接浇注的铸件方法 16.浇注系统：液态金属流入型腔的通道的总称，通常由浇口杯，直浇道，直浇道窝，横浇道和内浇道组成 17.阻流界面：在浇注系统各组元中，截面积最小的部分称为阻流截面 18.集渣包：横浇道上被局部加大加高的部分 19.浇口比：直浇道，横浇道，内浇道截面积之比 20.热节：在壁的相互连接处由于壁厚增加，凝固速度最慢，最容易形成收缩类缺陷 分型面：两半铸型相互接触的表面。分为平直和曲面。作用：便于造型、下芯和起模具。 21.砂芯：为了起模方便并形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位，所采用的砂块 22.芯头：伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分芯头种类：垂直芯头、水平芯头、特殊结构的芯头 23.冒口：铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件凝固过程中补给金属，起到防止缩孔，缩松，排气和集渣的作用 冒口=冒口区+轴线缩松区+末端区 24.冒口的补缩距离：冒口补缩后形成的致密冒口区和致密末端区之和 25.补贴：为实现顺序凝固和增强补缩效果，在靠近冒口的壁厚上补加倾斜的金属块 26.均衡凝固：利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方法 27.缩孔与缩松：液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为锁孔，细小而分散的称为缩松 28.收缩时间分数：铸铁件表观收缩时间与铸件凝固时间的比值 29.补缩量：铸件从浇注系统，冒口抽吸的补缩液量收缩模数：均衡凝固时均衡点的模数 30.复合材料：由有机高分子，无机非金属和金属等几类不同材料人工复合而成的新型材料。它既保留原组分的主要特征，又获得了原组分不具备的优越性能 31.机械加工余量：在铸件加工表面上流出的、准备切削去的金属厚度。 32.冒口补缩通道：末端多了一个散热面，散热快—构成一个朝向冒口而递增的温度梯度；存在平行于轴线的散热表面，形成一个朝向冒口的楔形的补缩通道 33.工艺出品率：铸件质量占铸件及浇注系统（含冒口）质量的比例 34.反重力铸造：指液态金属在与重力方向相反方向力的作用下完成充型，补缩和凝固过程的铸造成型方法 35.离心铸造：指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法

铸件充型凝固过程数值模拟

铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验

方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ

铸造工艺的数值模拟优化

! 收稿日期：２００６－０１－１６；修回日期：２００６－０７－１９ 作者简介：胡红军（１９７６－），男，重庆工学院讲师，主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 铸造工艺的数值模拟优化 胡红军，杨明波，龚喜兵，李国瑞 （重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘 要：为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响，设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸 造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟，根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况，提出改进工艺方案并对其进行凝固模拟，选择最佳方案应用于生产。研究表明，３＃是最合理的浇冒口布置方式，最优的浇注温度８２５℃，浇注时间１５ｓ，采用水平分型。应用表明，铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷，从而辅助工艺人员进行工艺优化。 关键词：凝固模拟；军用汽车转向臂；铸造工艺优化；浇冒口系统；缩孔；铸造模拟软件中图分类号：ＴＧ２５０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００６）０６－００５１－０３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＨＵＨｏｎｇ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ－ｂｏ，ＧＯＮＧＸｉ－ｂｉｎｇ，ＬＩＧｕｏ－ｒｕｉ （ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｃａｓｔｉｎｇｓｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｐｏｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｔ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｒｅ－ｓｕｌｔｓａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｎｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｉｎｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｏｂｒｉｎｇｆｏｒ－ｗａｒｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏ．３ｃａｓｔｉｎｇｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ８２５℃，ｐｏｕｒｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１５ｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｓｅｄｉｎｈｅａｖｙｍｉｌｉｔａｒｙｔｒｕｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｕｒ－ｉｎｇａｎｄｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｃａｓｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ 铸造数值模拟是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，节约试制成本［１－４］。 １ 铸造过程充型数值模拟方法 军用汽车转向臂的几何实体造型采用ＵＧ软件建 立，在得到三维几何数据后，利用ＵＧ软件的反向出模模块，通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的位置和分型面等，作为凝固模拟的几何模型。由于金属液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复杂，需要根据连续性方程、动量方程及能量方程，并进 行速度场、压力场的反复迭代，计算量大而且迭代容易发散，致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，如有限差分法和ＳＯＬＡ－ＶＯＦ体积函数法，开发出一些实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。作为整个模拟的核心部分，ＣＡＥ的数值模拟效果最终将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中，热传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问题采用傅里叶定律（式１），式２是根据能量守恒定律推导的方程［５－８］。 ｑ＝－λ !ｔ !ｎ （１）ρｃ!ｔ!τ＝!!ｘ（λ!ｔ!ｘ）＋!!ｙ（λ!ｔ!ｙ）＋!!ｚ（λ!ｔ !ｚ）＋ｑｖ （２）其中ｑ为热流密度，λ为导热系数，ｔ为温度（函数）， ｎ为温度传递方向上的距离，Τ 为温度，ρ为密度，ｃ为质! ２００６年１１月兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６ 第２９卷第６期

铸造数值模拟

铸造过程数值模拟 摘要：铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。 关键词：数值模拟；充型过程；微观组织；应力；热裂； 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。 一、铸件充型过程数值模拟的研究概况 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段, 许多铸造缺陷, 如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。然而由于本身的复杂性, 与凝固过程相比, 充型过程计算机数值模拟技术的起步较晚。长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量的试验基础上的经验准则。从20世纪80年代开始, 在此领域进行了大量的研究, 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。 许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等都与液态金属的充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方式，对充型过程进行数值模拟非常必要。其研究多数以SOLA—VOF法为基础，引人体积函数处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方法进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量实验验证之后，用K一￡双方程模型模拟铸件充型过程紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行计算法、三维有限单元法等，但最好的算法仍然没有找到。常用的网格划分为矩形单元(2D)或正交平行六面体(3D)。日本的I.Ohnaka等人提出了无结构非正交网格，这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主导地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作已经开始。充型模拟的另一发展趋势是浇注系统辅助设计，R.McDavid和J.Dantzig在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。 二、缩松和缩孔预测的数值模拟研究概况 铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程模拟软件的主要功能之一。目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多种判据用于铸件缩松、缩孔的预测．但是，大多数判据均是在用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效。由于石墨铸铁凝固时析出比体积较大的石墨。因此其体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专门的判据。 铸钢件缩松、缩孔预测判据经过多年的发展，从最初的定性温度场热节法，发展到后来的E．Niyama提出的G／R1／2法，再到后面的流导法、固相率梯度法等定量预测方法，无论从精度还是从使用范围看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件钢中的缩松、缩孔。 而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩松、缩孔的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994年，李嘉荣等在大量试验的基础上提出了球墨铸铁缩松、缩孔形成预测的“收缩膨胀动态叠加法(DECAM)”，该法基于Fe—C平衡相图，用杠杆原理计算凝固过程中收缩和膨胀量，将收缩和膨胀量进行叠加，可以预测球墨铸铁件缩松、缩孔的形成．李文珍等在进行球墨铸铁微观

凝固模拟实验

凝固模拟实验 【实验性质】综合性实验；学时：4 ；选做实验 1实验目的 通过模拟实验了解实际高温钢液凝固过程，观察以下三种现象： （1）直接观察自然对流现象，目测其流速，观察宏观组织（Λ形偏析）形成的过程及“沟槽”产生的方位。 （2）观察结晶雨现象导致钢锭底部的负偏析（沉积锥）。 （3）观察凝固过程中氯化铵形成的基本晶形。 2实验原理及设备 2.1实验原理 金属凝固过程是从液态转化为固态的过程，从微观来讲，凝固就是金属原子从无序状态到有序状态的排序过程。也就是液态中无规则原子集团转变为原子按一定规则排列的固态结晶。从宏观来讲，是把液态金属所储藏的热和凝固潜热通过模壁转移到外界，使液态金属转变成为具有一定形状的固体金属。整个凝固过程将发生一系列的物理化学变化。 凝固过程的收缩，密度的差异以及温度场的变化而产生的自然对流现象对钢坯的质量影响是特别显著的。特别是在模铸生产中，大型镇静钢锭由于成分不均匀性而产生Λ形偏析（也就是冶金中常说的倒V形偏析，偏析部位表现在钢锭的柱状晶带上），以及钢锭底部的沉积锥偏析等内部缺陷。 2.1.1 倒“V”形偏析的形成 含有不同物质的熔体在凝固过程中，由于温度、密度、体积以及温度场的变化，液体中会产生对流现象。这种对流现象使流动的液体在通过柱状晶凝固前沿时不易凝固，随着柱状晶的生长延伸而夹入中间，形成带有一定角度的液体流。在选分结晶过程中，高熔点的物质首先结晶，低熔点的物质向液体中扩散，形成液体流中低熔点的物质富集，我们称为正偏析。在钢锭的表现形式称为“Λ”形偏析或称倒“V”形偏析。在钢坯的横断面上通过低倍腐蚀表现得形状又称为“方框形”偏析或称“锭形”偏析。 2.1.2 沉积锥偏析 熔体在凝固过程由于选分结晶，高熔点的物质首先形核结晶称为固体。密度小的物质上浮，密度大的物体自然下落。根据形核机理，在一定温度下会形成大量的晶体，由于其密度大于熔体而下落，在下落过程逐渐长大，此现象称为结晶雨。柱状晶向中心生在阻碍了边沿晶体的下落，在底部形成一个锥体，称为沉积锥。由于高熔点的物质成分富集，所以称为负偏析。 2.1.3 减少偏析生成的措施 （1）提高熔体的纯洁度，减少钢中有害元素。 （2）改善熔体的凝固条件控制浇注过程的注温、注速。 （3）改善熔体凝固过程的动力学条件。 2.2实验方法 本实验采用NH4Cl-H2O溶液模拟钢锭凝固过程，NH4Cl-H2O系二元相图如图1所示。由于NH4Cl-H2O溶液的透明性和NH4Cl-H2O树枝晶体的半透明性，因而可以观察晶体及凝固结构形成的过程，更可形象地观察到晶体的结构。再者氯化铵溶液熔化焓低，便于模拟实验操作。由图1可知，氯化铵溶液的浓度超过19.7%以后为过共晶系，实验中可采用35%的

凝固过程模拟仿真课程论文

凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：不知道 学号：3110703451 指导教师：怯喜周

铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。 关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型； Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到

数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展

数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展 摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。 关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件

The Application of Numerical Simulation in Mold Filling and Solidification Process Abstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly. Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software

铸造过程的数值模拟

铸造过程的数值模拟 1零件分析 本次铸造过程的数值模拟所用的零件为方向盘，该零件结构复杂，并且在实际使用过程 中，需要承受较大的扭转力，因此选用镁合金并采用压铸工艺。此项工作需要在方向盘上建 立合适的浇注系统和溢流槽，进行充型模拟，得到合理的压铸方案。在建立浇注系统之前，需要合理选择分型面，然后选择浇注系统的内浇口位置，待浇注系统建立好之后，进行一次预模拟，从而确定溢流槽的数量和位置。 2工艺设计 2.1浇注系统 该铸件的分型面为铸件的最大截面，选定的浇注系统在铸件上的位置如下图所示。 rr 口斗+带〒 *”斗-T 已知数据有：压室直径60mm，压室速度0.1m/s-3m/s，铸件材料AM50A，方向盘质量 595g，压射温度685C。 查表取值：AM50A 镁合金密度1.75g/cm3;充填时间t= 0.05s;内浇口厚度b=2.5mm ; 取充填速度v仁50m/s。 铸件的体积v= — = —95 =340000mm 3; P 1.75 根据经验，可以取溢流槽的体积为铸件体积的10%，则溢流槽的体积v^ 34000mm3。 计算内浇口面积（V铸件+ V溢流槽） vt 二340 34 -50 0.05二149.6 2 mm

内浇口宽度 s c 2 b 冲头速度 4v 1s 4x 50 x149.6 “ , V ? 2 2 2.65 m / s nd 兀汽60 横浇道选用等宽横浇道 厚度 bh=10mm ，斜度10°，宽度B=（ 1.25-3）An/bh ;圆角半径 r=2mm ,横浇道宽 2 度为 30mm 。增压时间 k=1.5s ，: =0.005 t = k ： b 1.5 0.005 9 = 0.0675s 直浇道的设计 因为压室直径为60mm ，因此可以将直浇道与压室相连处的直径设计为 60mm ，直浇道 的高度为40mm ，拔模斜度为5 °。 2.2排溢系统 根据前面所述，溢流槽的总体积设计为铸件总体积的 10%,则v^ 34000mm 3。并且 设计三个溢流槽，分布在方向盘的圆周上，具体位置根据铸件最后充型位置确定。 根据经验和查表，溢流槽的桥部的尺寸与内浇道的尺寸的差距不宜过大， 因此选取溢流 槽的尺寸为 A=30mm ， B=35mm ， H=12mm ，a=9mm ， b=22mm ， c=1mm ，溢流槽桥部厚度 为h=1.3mm 。则溢流槽的仓部体积和为 v 溢=3 ^B_H = 3 30 35 37800mm 3。 149.6 治 30 mm

铸造工艺中液态金属凝固成形的关键问题

铸造工艺中液态金属凝固成形的关键问题 液态金属通过冷却凝固最终获得合格的、满足各种使用要求的铸件。山东伊莱特重工跟您一起探讨：以下的关键问题是在生产过程中应予以妥善解决的。 （一）结晶及凝固组织的形成与控制液体金属的结构，晶核的形成与长大，晶粒的大小、方向和形态等与铸件的凝固组织密切相关，它们以铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织的目的就是为了获得所希望的组织，欲控制凝固组织，就必须对其形成机理、形成过程和影响因素有全面的了解和深入研究。目前山东伊莱特重工有限公司已建立的有效控制组织的方法有变质、孕育、动态结晶、顺序凝固、快速凝固等。 （二）铸件尺寸精度和表面粗糙度控制现代制造的许多领域，对铸件尺寸精度和外观质量的要求愈来愈高，技术改变着铸造只能提供毛坯的传统观念，其目的在于降低物耗、能耗、工耗，并且改善产品的内外质量，争取市场和高效益。然而，铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素（如铸型表面的作用、凝固热应力、凝固收缩等）的影响和制约，控制难度很大。铸件是液态成形的，实现净形化具有独特的优越性，在结构方面铸件的内腔和外形用铸造方法一次成形，使其接近零件的最终形状，使加工和组装工序减至最少；在尺寸精度和表面质量方面，使铸件能接近产品的最终要求，做到无余量或小余量；另一方面，被保留的铸造原始表面有益于保持铸件的耐蚀和耐疲劳等优越性能，从而提高产品寿命。努力提高铸件的尺寸精度和降

低表面粗糙度，推进铸件近净形技术的发展是未来的方向。 （三）铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷是造成废品的主要原因，是对铸件质量的严重威胁。由于方方面面的原因，存在于铸件的缺陷五花八门，由于凝固成形时条件的差异，缺陷的种类表现为形态和表现部位不尺相同。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松；凝固期间元素在固相和液相中的再分配会赞成偏析；冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同，采取相应措施加以控制，使之消除或降至最低程度。此外，还有许多缺陷，如有夹杂物、气孔、冷隔等，出现在充填过程中，它们不仅与合金种类有关，而且还与具体成形工艺有关。总之，防止、消除和控制各类。更多问题请百度咨询山东伊莱特重工有限公司。

泵体铸件凝固过程模拟

第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何

铸件充型凝固过程数值模拟实验报告

哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院

铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果

图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。

金属铸造工艺过程、及实际应用

材料科学基础课程论文金属铸造工艺过程及实际应用 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：赵明 学号：3110706049 指导教师：张振亚 2014 年6 月

一、简介 金属铸造（metal casting）是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间．铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。 二、分类 金属铸造种类造型方法习惯上分为： ①普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。 ②特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。金属铸造工艺通常包括： ①铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素； ②铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金； ③铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。 三、工艺过程

铸造生产时，首先要根据铸件的结构特征、技术要求、生产批量、生产条件等因素，确定铸造工艺方案。其主要内容包括浇注位置、分型面、铸造工艺参数（机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、收缩率、芯头等）的确定，然后用规定的工艺符号或文字绘制成铸造工艺图。铸造工艺图是指导铸造生产的技术文件，也是验收铸件的主要依据。 一、浇注位置的确定 浇注时铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置。铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度、造型工艺的难易程度都有很大的影响。通常按下列基本原则确定浇注位置。 (1) 铸件的重要工作面或主要加工面朝下或位于侧面。浇注时金属液中的气体、熔渣及铸型中的砂粒会上浮，有可能使铸件的上部出现气孔、夹渣、砂眼等缺陷，而铸件下部出现缺陷的可能性小，组织较致密。如图所示机床床身的浇注位置，应将导轨面朝下，以保证该重要工作面的质量。如图所示的卷扬筒，其圆周面的质量要求较高，采用立浇方案，可使圆周面 处于侧面，保证质量均匀一致。

铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟分析

铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟分析 作者：杨屹蒋玉明刘力菱焦玉琴 1铸件凝固过程数值模拟的意义及概况 自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用，如凝固过程温度场、热应力场的数值模拟，充型过程流速场的数值模拟；组织形态及力学性能的数值模拟等。通过这些单1或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等，都把数值模拟软件作为1种日常工具来使用。 近10年来，涌现出了许多优秀的铸造过程数值模拟软件，如美国的ProCast、德国的MAGMASoft、芬兰的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法国的SIMULOR 软件等。从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织。国内在经历了10多年的基础研究和发展后，也出现了一些技术水平接近国外商品化的应用软件，可以进行铸钢、铸铁件砂型铸造时的三维温度场模拟及收缩缺陷的预测，以及对铸钢、铝合金件的热应力场进行模拟。总的来说，国外软件的通用性强，能进行铸造全过程的数值模拟，并具有较强的后置处理功能及友好的用户界面。建模方便，易于模型设计和修改，便于用户掌握和使用。其计算精度与运算速度等方面也能满足需要。正因为如此，国外模拟软件已经成为实际生产中的有力工具.国内不少用户趋向于采用大型通用工程软件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等进行模拟计算。 2数值模拟的基础性研究 2.1铸件凝固过程温度场数值模拟 经过几十年的发展，铸件凝固过程温度场数值模拟技术已日臻成熟。现在可以采用有限差分法、有限元法、DFF格式、Solyef格式等进行温度值的计算，边界条件处理方法有N方程法、温差函数法、点热流法、综合热阻法、动态边界条件法等，潜热的处理方法有温度

凝固原理与铸造技术题目及答案资料

凝固原理与铸造技术复习题答案 1、画出纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意图，并简要说明其凝固过程的传热特点。 凝固过程的传热有如下一些特点： 简单地说：一热、二迁、三传。 首先它是一个有热源的传热过程。金属凝固时释放的潜热，可以看成是一个热源释放的热，但是金属的凝固潜热，不是在金属全域上同时释放，而只是在不断推进中的凝固前沿上释放。即热源位置在不断地移动；另外，释放的潜热量也随着凝固进程而非线性地变化。一热：有热源的非稳态传热过程，是第一重要的。 二迁：固相、液相间界面和金属铸型间界面，而这二个界面随着凝固进程而发生动态迁移，并使传热现象变得更加复杂。 三传：液态金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传（导热、对流和辐射传热）耦合的三维传热物理过程。 其次，在金属凝固时存在着两个界面。即固相、液相间界面和金属铸型间界面，而在这些界面上，通常发生极为复杂的传热现象。 2、一个直径为25cm的长圆柱形铸钢件在砂型和金属型中凝固： (l)当忽略铸件-铸型界面热阻时，它们的凝固时间各为多少？ (2)当铸件-铸型的界面换热系数hi=0.0024J(cm2．s．℃)时，它们的凝固时间各为多少？ 计算用参数如表l -2所示，计算中假定钢水无过热度，并在一个固定的温度Tf 下凝固，同时假定铸型无限厚。

3、对于单元系而言，为什么高温时稳定的同素异性结构具有比低温时稳定的同素异性结构有较高的热焓，即H(γ -Fe)>H (α-Fe)? 4、推导曲率引起的平衡温度改变的计算公式。 除压力外，表面曲率亦对平衡温度产生影响。在凝固时，表面曲率对固相来说相当于增加了一项附加压力，这项附加压力是与界面张力相平衡的。当任一曲面体的体积增加ΔV，面积增加ΔA时，附加压力ΔP与界面张力σ的关系为： 由于曲率引起的平衡温度的改变为：

铸造数值模拟仿真报告

本科生课程考核试卷 科目：教师： 姓名：学号： 专业： 上课时间： 20 年月至20 年月 考生成绩： 阅卷教师 (签名)

一、前言 计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD）：是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证、产品总体设计、技术设计、零部件设计和产品图绘制等。 狭义铸造工艺CAD：即工艺设计，指用计算机软件在计算机上设计浇注系统、冒口、溢流槽、排气槽、冷铁、型芯等。并进行工艺图绘制。铸造工艺CAD可将计算机的快速、准确和设计人员的经验、智慧结合起来。改变上千年的手工设计方式，缩短工艺设计周期，提高设计水平，提高产品的质量和竞争力。 二、产品分析及初步方案 图1 图2 如图1和图2所示，该产品为方向盘，此模型是一个方向盘，结构复杂，并且在实际使用过程中，需要承受较大的扭转力，一般为锌合金，或者铝合金，我们做模拟时就采用更便宜、更轻的镁合金并采用压铸工艺生产。初步拟定工艺设计过程如下：

1. 初步方案设计 2.压铸工艺有关参数的选取 3.根据产品体积，确定内浇口面积及形状。 4.横浇道和直浇道方案设计 5.根据确定的参数，利用CATIA软件作出浇注系统三维模型。 6.利用Anycasting模拟充型过程 三、具体设计过程 1.初步方案设计 图3 金输液流动方向如图3所示，此零件结构复杂，在高压浇注过程中，充型速度很快，易产生激溅、铁豆，且型腔中气体不易于排除，所以根据上述易产生的缺陷，应采用底注式浇注系统，它不但能改善上述缺陷，还可以使内浇道很快被金属液淹没，实现快速平稳充型。同时型腔中液面升高后使横浇道较快充满，较好挡渣，利于得到外形精美、质量优良的铸件。 由于此零件模型中间部分较为复杂，四周比较简单，中间位置充型易出现问题，所以浇注系统的位置应该选在下面部位上。