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1、【数值模仿】数值模仿在铸造业中的进展2020-03-10 原文以下文章来源于新材道，作者道哥新材道钢研新材道平台是国内独一专业性的钢材高端云服务平台，依托钢铁争辩总院顶尖的 研发团队和65年的技术积淀，以材料大数据和定制研发为核心理念，为中高端材料 用户供应研、产、检、造、用全产业链服务。原创道哥新材道铸造是一门历史悠久的金属热加工工艺。“十三五”期间，我国铸件总产量呈中低速增长态势，估计2020年 的铸件总产量将达到5500万吨左右（摘自中国铸造行业“十三五”规 划解读及中国铸造业2015数据发布）。铸形成型的工艺过程简单，影响铸件质量的要素很多，铸件也简约 消灭缩孔、缩松、冲砂、浇不足等缺
2、陷。在传统的铸造业中，工艺 设计及铸件质量的把握经常依靠阅历来处理，铸造过程中金属液的 流淌形态以及凝固时的温度、应力形态等都不能直观的表现出来。 随着计算机技术的进展，使用计算机的计算技术可以模仿铸造过程 中的应力场、温度场、流场等的变化情况，以及微观组织晶粒的生 成长大和形貌的可视化。使用数值模仿技术，可以削减试验室争辩工作、研发周期和工艺优 化的成本，对铸造工艺参数进行优化，进而得到愈加优质的铸件。I I I数值模仿在铸造业的进展历史20世纪60年代丹麦学者Forund率先采用计算机 对铸造过程的温度场进行模拟20世纪80年代铸造充型过程和铸件应力应变的数值模拟技术开始在铸造研究领域普及
3、20世纪90年代进入21世纪铸造模拟技术已经发展到对铸件的组织 晶粒生长和形貌进行模拟S铸造的数值模拟也从二维模拟发展到三维模拟，并逐渐进入工程实用峪羸道进入21世纪，铸造模仿技术在广度和深度的长足进展次要表现在 两个方面： 模仿计算功能由单一的应力场、温度场、流场等向多场耦合进 展，使得整个模仿过程更贴近铸造的工艺过程，在铸件及铸造工艺 全体优化设计方面起到了乐观作用。 仿真技术由宏观向构成机理方面的模仿计算进展，借助数值模仿 技术把握铸件的组织构成和功能，已成为当下铸形成型数值模仿的 争辩热点之一。计算机模拟数值模拟仿真铸造业所应用的数值模拟软件i殷是由前处理、求解计算和后处理三大模块构成
4、。f前处理模块功能H要有铸件儿何模型建正、网格划分、物理属性定义、边界条件及参数设置等;物理属性定义、边界条件及参数设置等;=1f求解计算模块功能H要是基流体力学和凝固传热理论，对前处理设胃的问题进行数值计算求解；铸造业的数值模仿计算接受的基本方法通常是无限差分法(Finite Difference Method ,简称 FDM)和无限元法(Finite Element Method,简称FEM)0其中，无限差分法简约、机警以及通用性 强，次要使用于铸造充填流淌的模仿计算。国内的铸造模仿争辩工 作始于20世纪70年月末，依据对当前铸造数值模仿软件在中国铸 造企业的使用情况的调查和分析，据不完全
5、统计，目前国内各类铸 造模仿软件用户超过300家，包括Procast、Magma、F1 ow3D Any cas t JScast、华铸 CAE、清华 FT-S t ar 等等。几款常用铸造过程模仿软件引见AFSolid计算方法：FDM充型一凝固模仿壳型、金属型和熔模铸造充型一凝固模仿壳型、金属型和熔模铸造充型一凝固、铸造微观组织模仿 金属型和熔模铸造次要功能：几何建模, 适用工艺范围：砂型、CAM-CAST/S IMULOR 计算方法：FEM 次要功能：几何建模， 适用工艺范围：砂型、Pro CAST计算方法：FEM次要功能：几何建模，充型一凝固、铸造微观组织、残余应力模仿 适用工艺范围：砂
6、型、压铸、消逝模铸造，反重力、离心、连续、 倾斜等浇注方法以及定向凝固和单晶熔模铸造等CASTCAE计算方法：FDM充型一凝固、铸造微观组织模仿壳型、压铸、V法、熔模铸造充型一凝固、铸造微观组织模仿壳型、压铸、V法、熔模铸造CASTVIEW计算方法：FEM次要功能：几何建模, 适用工艺范围：砂型、次要功能：几何建模, 适用工艺范围：砂型、充型一凝固、铸造微观组织、残余应力模仿 金属型、压铸、低压铸造MAGMA计算方法：FDM次要功能：几何建模，充型一凝固、铸造微观组织、残余应力模 仿，铸件铸型变形模仿适用工艺范围：砂型、金属型、压铸、低压铸造MAVIS DIANA计算方法：FDM次要功能：几何
7、建模、凝固模仿和压铸过程中的尺寸变化 部重力铸造一MAVIS压铸一DIANAPASSAGE/POWERCAST计算方法：FEM次要功能：几何建模，充型一凝固、铸造微观组织模仿适用工艺范围：全部铸造方法 数值模仿常用于处理铸造工艺设计不当的问题。如：由于工艺设计的问题，导致铸件加工余量大。工艺设计人员凭阅历 难以把握变形问题，铸造的加工余量一般比国外大13倍，导致 铸件的生产成本高，生产效率低。由于工艺设计的问题，大型铸钢件和大型钢锭在凝固结束后，在冒 口根部、铸件的厚大断面存在宏观偏析、晶粒粗大问题。由于工艺设计的问题，消灭裂纹、偏析、浇不足、卷气、夹杂等缺 陷，导致铸件出品率和合格率低等问题
8、。因此，对浇铸过程中一些流淌和换热的规律进行争辩，从而设计出 合理的铸型、铸件结构和浇注系统，选择合适的铸造工艺参数，最 终削减铸件缺陷，实现铸造工艺的最优化。这样既提高了铸件的质 量，又降低了铸件废品率，同时添加了模具的使用寿命。既然数值模仿能低成本且高效的处理铸造业中的众多问题，那么数 值模仿在铸造企业中为何至今还无法普及？目前，国内铸造企业使用铸造过程数值模仿软件，与国外先进铸造 企业还有很大差距。在具备规模的铸造企业中，部分企业购置了数 值模仿软件，在新产品设计中、技术优化肯定程度上接受了模仿技 术，模仿结果也发挥了肯定的作用。但是对模仿的生疏还比较粗 浅，模仿使用人员的层次还比较低，
9、模仿配套的功能参数数据库还 很缺乏，软件自带数据库与企业的情况不完全全都。除此之外，数 值模仿分析是高技术分析，对使用人员有比较高的要求。使用软件 的人不只要熟知铸造工艺方面的学问，对生产现场也要格外生疏； 而且也该当对数值模仿软件的相关原理和算法有肯定的生疏和理 解，才能正确地使用软件，得到具有自创意义的精确模仿计算结 果。近几年数值模仿在我国铸造业的进展，次要争辩技术包括：成形铸 造过程数值模仿技术；包含焰炼、热处理的铸形成型全流程数值模 仿技术；铸造全过程的热-力-缺陷分析检测和反馈技术；铸造合金 和铸造材料热物性参数测量技术，建立丰富且完善的热物性参数数 据库；基于数值模仿的智能化铸造工艺设计与优化技术等。经过大量专家学者的努力，数值模仿最终会与互联网+、人工智 能、智能配备、数字化工厂、物联网与在线检测等技术相结合，实 现铸件成形制造过程中的实时工艺优化，铸件组织、功能与使用寿命的猜测，零件的质量的实时监控，产品研发周期大幅缩短，生产 费用大幅降低，资源与能源消耗大量降低等。先进制造业+工业互联网
