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1、第 1 章 绪 论11 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 7090，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 2
2、07，丽美国已占 407(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 18 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 58 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 5.56.0mm，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
3、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。12 用计算机技术改造传统铸造行业121 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
4、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模数、凝固参数、合金性能及微观组织参数等有机地联系起来，并提出了铸造工艺 CAD 的概念。我国从 1978 年开始开展铸件凝固数值模拟研究，三十四年来的研究已形成了我国凝固模拟技术研究的特色。铸件凝固数值模拟技术发展至今可分为 3 个阶段：a)基础研究阶段，着重于
5、计算模拟；b)预测研究阶段，对拟定好的工艺方案进行检查，以预测质量，并通过模拟浇注系统修改方案；c)优化工艺设计，包括计算模拟、几何模拟及数据库，并使之有机结合起来。有时把这 3 个阶段综合称为铸造工艺 CAD，有时又特指为第三阶段。目前就国外而言，铸造工艺 CAD 正处在第三阶段。因此，在实际研究中铸造工艺 CAD 应包括 4 个部分，即：凝固过程数值模拟(热场模拟)、充型过程数值模拟(流场模拟)、热应力及残余热应力数值模拟(力场模拟)和微观模拟( 组织模拟) 。122 铸件冲型过程数值模拟 铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸件
6、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。因此对充型过程进行数值模拟非常必要。目前研究多数以 SOLA-VOF 法为基础，引入体积函数(Volume of Function)处理自由表面。并在传热计算和流量修正等方断进行研究改进。研究在对层流模型进行大量的实验验证之后，用 K-e 双方程模型模拟铸件充型过程的紊流现象。目前，虽然已研究了许多算法，如并行算法、三维有限单元法、三维有限差分法、数值算法与解析方法混合的算法等，但是到现在仍然没有找到最好的算法，各种算法各有优劣，应用的侧重点各不相同。在提高计算速度方面，祝昭德等人曾提出了一种基于 D
7、FDM 的算法，对于规模为一百万单元(铸件单元 300000)的系统可减少存储量 80MB。常用的网格是矩形单元(2D)或正交的平行六面体单元 (3D)。不过日本的本娜卡等人提出了一种新的网格划分方法，即无结构非正交网格。这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。目前砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主要地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作也已经开始。当前关于充型的一个发展趋势是辅助设计浇注系统，因为模拟的最终目的就是为了辅助设计。麦克大卫和丹特兹格在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。123 缩松缩孔预测的数值模拟金属凝固是一个非常复杂的物理化学过程，是由包
8、括热量传输、动量传输、质量传输及相变等一系列过程耦合而来的。铸件凝固过程数值模拟是铸造CADCAE 的核心内容，其最终目的是优化工艺设计，实现铸件质量预测。其中，在温度场模拟的基础上进行缩孔、缩松的预测是其中的一项重要内容。铸件缩孔、缩松形成的模拟预测是控制铸件内部质量的重要手段之一，也是铸件充型凝固过程数值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孔、缩松预测。但是，目前大多数判据均是用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效，由于含石墨铸铁在凝固时要析出体积较大的石墨，因此铸铁在凝固时的体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专用判据。铸钢传缩孔、缩松预测判据
9、经过多年的发展从最初的定性的温度场热节法，发展到后来的尼亚玛提出的 GR 法，再到后面的各种定量预测方法，无论是从预测精度还是使用范围来看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件中的缩孔、缩松，为优化铸造工艺、降低铸件废品率提供了可靠的保证。而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩孔、缩松的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994 年，李襄荣等在大量试验的基础上提出了一种定量预测球墨铸铁件缩孔、缩松的判据，该判据考虑了化学成份、铸型钢度等的影响。随后，李文珍等基于球墨铸铁微观模拟模型提出了球墨铸铁件缩孔、缩松定量预测判据。国外也有一些研究工作者提出了定量计算球墨铸铁件凝围过程中体积变化的模型。目前，球墨铸铁缩
10、孔、缩松颈测方法已部分投入实用化。124 应力场数值模拟铸造过程应力场的模拟计算能够帮助铸造工作者预测和分析铸件裂纹、变形及残余应力，为控制应力应变造成的缺陷，优化铸造工艺，提高铸件尺寸精度及稳定性提供科学依据。国外有关铸件应力分析及变形模拟研究的主要特点是：(1)多数采用热力耦合的模型来模拟铸件凝固过程中的物理过程变化现象，包括传热、传质、应力及缺陷形成等。许多研究是先预测铸件中的应力及砂型和铸件的气隙，并由此计算界面热阻，反过来再进行热分析。还有一些研究是把热分析、流体流动和应力分析等结合起来，同时进行模拟充型过程、预测变形、预测缩孔、预测热裂及应力分析和残余应力的计算。(2)应力分析采用
11、的模型有热弹塑性模型、热弹粘塑性模型、热弹性模型及弹性理想塑性模型等。这些模型都属于热弹粘塑性的范畴。采用的模拟方法多为有限元法，也有人采用有限体积法、控制有限体积有限差分法等。关于熟力耦合分析的许多研究都采用商品化的软件包如ABAQUS、CASTS、ANSYS 及 PHYSICA 等。关于应力分析中边界条件的改进，由于砂型与铸件之间力的相互作用，而且砂型并非刚性，因此多采用接触单元算法。在国内，大连理工大学及清华大学均进行了这方面的研究。在对铸造应力进行模拟分析时，由于应力变形做功引起的热效应同温度变化和凝固潜热释放的热效应相比可忽略不计，故一般铸造过程的热分析和应力分析可单独进行，只需将温
12、度变化的数据转化为温度载荷加入应力分析中即可。应力场数值模拟虽然取得了一定的进展，但总体还处于初步研究阶段，离实际应用还有一定距离。13 本论文的选题依据和目的如上所述，计算机数值模拟仿真技术已经成为当今材料成形加工领域的学科前沿。由于我国铸造规模较大，技术水平却远落后于世界发达工业国家。因此，利用计算机模拟仿真技术来改造中国的传统铸造产业，不仅潜力大，而且前景广阔，具有很好的经济效益和社会效益。但是，我国在计算机模拟仿真技术研究方面目前虽然取得了一定的成就，却仍落后于发达国家，因此进行计算机数值模拟仿真的研究仍然很有必要，也唯有如此，才有可能缩短国内与国外的差距。本文重点介绍了泵体铸件的生产装备及铸造工艺，根据几年来对泵体铸件主要铸造缺陷的长期跟踪及搜集整理的数据，用统计分析的方法对数据进行了分析，再根据分析结果有针对性的对泵体铸件缺陷采取有效措施进行控制。同时，如何利用计算机技术来提高铸件质量，是本论文选题的另一个目的，通过对泵体凝固过程温度场数值模拟计算，预测了铸件在凝固过程中易出现缺陷的部位，与实际生产结果进行比较，基本吻合。
