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1、 班 级：材控一班姓 名：梁永强学 号：10050108指导老师：肖荣振凝固过程计算机数值模拟的发展及应用作者：梁永强 专业班级：材控一班 学号：10050108 电话号码：13919816845摘要：介绍了铸件凝固过程温度场数值模拟、充型过程数值模拟、应力场数值模拟和组织形态数值模拟的发展及其应用。关键词：铸造；数值模拟；凝固过程；充型过程；应力分析；显微组织Abstract：An introduction was made to the development of temperature-sield values simulation of solidification process
2、of castings,mould-filling process values sinmulation,slress-field values simulation,strueture-morphology values simulation and their application Key word:foundry；values simulation；solidification process；mould-filling process；stress analysis；microstructure前言铸件形成过程计算机数值模拟，如凝固过程温度场的数值模拟、充型过程流动场的数值模拟、应力
3、场数值模拟和组织形态的数值模拟，通过对这些单一和复合过程数值模拟的研究，可以对液固转变过程中产生的诸如缩孔、缩松、夹渣、气孔、裂纹等各种铸造质量问题进行分析，找出其产生的内在原因，达到提高产品质量，消除铸造缺陷的用；可以在生产之前对其过程质量进行预测，对不同的工艺方案进行质量对比，实施工艺优化；由于产品质量预测可以在计算机上进行，并没有经过试生产，因而可以节省大量的人力、物力、财力，尤其是新产品试制和大批量造型线生产的铸件，既方便快捷又有显著的经济益。采用计算机数值模拟还可以使一直建立在生产经验基础上的铸造工艺设计从经验走向科学。计算机数值模拟由前处理、中间计算和后处理三个部分组成。其基本过程
4、包括几何模型的建立、网络剖分、求解条件* 即初始条件和边界条件+ 的确定、数值计算、计算结果的处理及图形显示等。1. 凝固过程温度场数值模拟铸件形成过程按工艺顺序，是先充填而后凝固，可是由于人们对问题认识的先后，也由于凝固对铸件质量的影响更加直接和明显，所以凝固过程温度场的数值模拟先于充填而发展起来。温度场数值模拟的理论基础：（1）傅立叶定律：（2）牛顿定律：（3）斯蒂芬玻尔兹曼定律：为了使铸件、铸型中的场量能被唯一确定下来，必须把影响铸件凝固过程的一些复杂因素+ 初始条件、边界条件、结晶潜热及热物性参数-考虑到数值方程的求解条件中去。（1） 初始条件：即t=0时刻所研究场量在铸件或铸型中的分
5、布。（2） 边界条件：铸件温度场模拟所涉及的边界条件有铸件铸型边界，铸型大气边界，铸件绝热材料边界，甚至还有铸件大气边界和绝热材料大气边界。（3） 结晶潜热：在铸件凝固冷却过程放出的总热量中，结晶潜热占相当大的比例。所以，潜热处理的好坏对铸件温度场数值模拟的计算精度起非常关键的作用。温度场数值模拟中，关心的是应以何种方法将结晶潜热的释放纳入传热过程模拟中，对结晶潜热是如何释放注意得比较少。（4） 热物性参数的确定：研究者都承认，试图通过对数值计算方法的改进而得到有限提高的模拟精度，往往被不十分精确的物性参数值所淹没；缺少铸型热物性和温度的关系是数值模拟精度不高，模拟技术难以推广的重要原因。凝固
6、过程温度场数值模拟的目的之一是判断缩孔缩松的位置和大小。常用的缩孔缩松预测判据是; $ !。判据中，; 是指系数离散化后的某一节点，当其温度达到固相线温度时，在该节点和其周围所有相邻节点间的温度梯度的最大值； 是指该节点达到固相线温度时的冷却速度。2.充型过程的数值模拟充型过程是指液体通过浇注系统进入型腔到型腔充满这一短暂的流动过程，它是铸件形成过程的重要环节。长期以来，铸件形成过程数值模拟主要集中在凝固过程的模拟上，这就使得数值模拟只能对生产中的缩孔、缩松缺陷进行分析预测，而对产生于充型过程中的缺陷，例如，冷隔及浇不足、卷入性气孔、氧化现象和氧化夹杂物以及飞溅造成的所谓“铁豆”等依靠传统的尝
7、试法来克服。因此，研究充填过程数值模拟对于控制充填过程以及预测解决充填不利引起的铸造缺陷具有深远的意义。此外，由于传统的温度模拟建立在“瞬时充型”的假设上，即假设充型过程瞬时进行完毕，因而凝固过程中铸件各部分的初始温度均为浇注温度，这无疑使凝固过程数值模拟的精度受到一定的限制。此外，研究充型过程数值模拟的目的还在于为凝固过程数值模拟提供初始温度分布，进一步提高温度场模拟精度。所以充型过程数值模拟是铸件形成过程数值模拟的一个重要组成部分。充型过程的基本数学模型：液态金属的充填过程可认为是不可压缩的牛顿流体的非稳定流动过程，描述这一过程的微分方程如下：动量方程：连续方程：采用体积函数确定自由表面移
8、动时，还需求解F函数方程：充型过程数值模拟的计算方法主要有四种：(1)SIMPLE法 这种方法的特点是压力场和速度场同时迭代。(2)MAC和SAMAC法 MAC法是用有限差分对动量方程、连续方程求解，并将连续方程作为约束条件与动量方程合并成一个与压力有关的泊松方程，然后在流场中所有的网格上迭代动量方程与泊松方程，解压力场和速度场，采用随流体流动的示踪粒子在计算出的速度场上的运动轨迹来表自由表面的形状。SMAC 法只有速度场的迭代过程，先用当前压力场代入动量方程，求出一个试算的速度场，然后将试算速度场代入连续方程。(3) SOLA-VOF 法该法是用SOLA 法求解动量方程和连续方程，用VOF来
9、处理自由表面。用SOLA 法求解时，先将当前压力速度代入方程，求出试算速度场，再将试算速度场代入连续方程。如果不满足连续方程，则直接通过压力的调整而获得新的试算速度场，再代入连续方程，如此反复直到满足连续方程为止。(4)格子气模型 该法把流体看成是大量的微观粒子，这些微观粒子在规则或不规则的网格空间按一定的法则相互作用和移动，宏观上看就是流体流动，在热力学极限下，用粗略平均的方法可以逼近动量守恒方程，可以代替动量守恒方程来解决流动问题。3.应力场数值模拟铸件形成过程的应力场数值模拟因可预测铸件热裂、冷裂及变形等缺陷而显得十分重要。但是，三维应力场数值模拟涉及弹性- 塑性- 蠕变理论，以及高温状
10、态下的力学性能及热物性参数等，而且它比一般结构应力场复杂。铸造材料的力学特性具有高度非线性，而且铸件成形系统是由多种材料组成，它们之间的力学性能相差悬殊，从而使应力场求解过程的精度稳定性及收敛性受影响，研究工作的难度更大。国外MAGMA PROCAST等软件除了可进行温度场、流场的三维数值模拟外，还可进行三维应力场的数值模拟A N D，国内已有许多厂家引进此软件。国内关于应力场数值模拟的研究是.#80年代后期起步的，进入E# 年代以后取得很大进展。不少研究着重于利用国外引进的通用有限元软件对有代表性的铸件应力场进行模拟分析。如清华大学在.80年代中利用中型计算机CDC-CY-BER-170-8
11、15系统，应用有限元结构分析软件ABAQUS 以带凹槽圆筒形铸钢件为对象在国内首次对凝固过程热应力场模拟，解决了坦克的侧传动壳体铸钢件热裂，接着又对内蒙第一机器厂25t载重卡车后桥壳铸钢件及第一汽车制造厂奥迪小轿车铝合金缸盖作了三维热应力场计算，都解决了实际问题。后来又利用自动动态增量非线性有限元程序ADINA/ADINAT、有限元网格生成及结果显示软件FEMB对福建三明重型机器厂中空轴铸钢件凝固过程的三维热应力场在微机上进行数值模拟，消除了热裂。许多研究着重于建立专门适用于铸造过程的三维应力场分析软件包，如哈尔滨工业大学在研究铝铜合金准固态力学行为的基础上进行了应力框凝固过程应力应变及热裂的
12、数值模拟大连理工大学研究4.组织形态的数值模拟随着铸件温度场和流动场数值模拟的长足发展，世界上许多发达国家的研究人员开始尝试组织形态的数值模拟，包括微观的形核、长大到宏观的等轴晶、树枝晶。这是一个复杂的模拟过程，既包括各个随机出现的晶胞的温度计算，也包括溶质扩散导致各个微观区域的熔点变化计算，还包括晶胞碰撞、搭接后自由能的计算，逐步实现由微观晶粒的生长到宏观晶体形貌的形成，由一个原子体积逐渐累积到一个铸件的形成。经过!# 多年的努力，铸件形成过程的计算机数值模拟技术取得了突破性进展：(1)能够处理三维复杂形体的铸件；(2) 硬件及软件费用大幅度降低，铸造工厂已能承受；(3) 计算机操作系统及软
13、件对用户友好，一般铸造工程技术人员也容易掌握应用。参考文献1. 王君卿 等 铸型充填过程模型化及流动场数值模拟【J】铸造，1987；（12）：20-22.2. 李殿中， 等， 等轴晶凝固过程的数学模型【J】铸造1994；（10）：12-17.3. 李殿中，等， 镍基合金叶片凝固过程微观组织模拟及工艺优化研究【J】铸造1997；（8）；1-64. 郑建武，陶瓷复合铸型铸钢鞋模凝固的数值模拟【C】硕士论文，福州大学，19985. 康进武， 等， 基于流变模型的铸钢件凝固过程应力应变数值模拟【J】铸造技术，1998；（6）20-226. 陈瑶， 等， 铸造过程应力场数值模拟集成化技术的研究【J】,铸造，1999；（3）：1-5
