《铸造充型过程的数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铸造充型过程的数值模拟（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铸造充型过程数值模拟的研究进展(学生姓名：王霞学院：材料科学与工程专业：材料工程学号:20131800103O 四年二月铸造充型过程数值模拟的研究进展铸造过程计算机数值模拟技术是当今材料科学的重要前沿领域。本文从铸件充型 数值模拟的发展过程、软件的开发状况、计算方法及验证方法等四个方面介绍了国内 外铸件充型过程计算机数值模拟的概况。关键词：数值模拟；充型过程；铸件；模拟软件#铸造充型过程数值模拟的研究进展AbstractThe tech no logy of computer nu merical simulati on on cast ing process is an importa ng
2、t fron tal field of material scie nee and tech no Igy.The prese nt foreig n and domestic research on compter digital simulation of casting process is summarized in the paper from four respects of evolution of numerical simulation of filling processesof castings,developmentstate of software ,method t
3、o calculate and method to prove.Key words:numerical simulation ;filling process;castings;simulation software#目录摘要 1Abstract 2一 前言 1二 数值模拟的国内外发展概况 1三 充型过程数值模拟技术新进展 3四 铸造模拟软件的开发状况 3五 充型过程数值模拟的计算方法 44.1充型过程液体流动的数值模拟 44.2 充型过程卷入缺陷的数值模拟 5六 充型过程实验研究 6七 结论与展望 7参考文献 8铸造充型过程数值模拟的研究进展1前言铸件充型过程数值模拟是随着电子计算机技术的飞
4、速发展而发展起来的一种现代 铸造工艺研究方法。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能较快、较深 入地揭示出铸件质量的内在规律，可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数， 克服了铸造工业长期存在的试制周期长、铸件成本高、铸件质量难以控制等缺点，对 于指导工艺设计和消化国外先进工艺具有重要意义。此项技术已应用于生产实际，并 取得了显著的效益。2数值模拟的国内外发展概况与凝固过程计算机模拟相比，计算机模拟在充型过程的起步较晚，不是人们没有认识到它的必要性，而是这一问题更为复杂。由于充型过程的流场和温度场的计算需要 确定任一时刻自由表面的状况，而液态金属的充型过程是湍流流动， 充型时间很短
5、，并 伴有传热现象，使流场和温度场处于变化之中，且有相互影响，在流场区域不断扩大 的同时，自由表面的位置和位向也在不断的变化 ；此外，型腔内气体的背压力、金属液 与铸型间的热阻、型壁状况、入流条件、结晶潜热及固相率等都影响充型过程，使充 型过程的计算机模拟成为一个相当复杂的数值模拟问题。到上世纪80年代充型过程才刚刚起步。80年代初，台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与 R.A.Stoehr教授一起首先将流体 力学计算的研究成果用于解决铸造充型问题，开辟了充型过程研究的新领域。1987年前是充型过程计算机模拟的初始发展阶段。模拟基本上限于二维板类铸件，并假设在充型过程液态金属处于层流流动，这些模拟
6、技术尚不能指导大多数实际 铸件的工艺设计。尽管如此，上述先驱者们的工作开拓了充型过程研究的新领域，奠 定了充型过程计算机模拟的基础。1988年后，充型模拟进入了蓬勃发展阶段，模拟技术不断完善。在流体计算中引 入了能量守恒方程，进行了流场、温度场耦合模拟，并开发出一套有传热的充型过程 流体流动的计算模型，但这只是一个考虑比较全面的二维模拟。他们还考虑了湍流和 传热问题，并通过修正比热考虑了凝固潜热的作用。1989年，L i nHJ和黄文星把MAC和SOLA法结合在一起研究三维流动问题。此后，充型过程数值模拟进入了三维时代。人们还认识到层流、湍流、非牛顿流体的流 动差异，并尝试将宏观的传热、传质、
7、传动量与微观的生核、长大过程联系在一起， 取得了一定的成果。近年来先后开发出的各种充型过程三维数学模型和计算方法普遍存在的问题是流场、压力场计算的效率低，并且大多数仅适用于能将铸件剖分为规则网格的情况。针 对这些问题，J丄.Y e n在流场计算中引入了不规则网格，用 CMG法提高压力迭代效 率，结果使计算速度、计算精度得到明显的提高。此外，对铸件充型过程的数值模拟还考虑了内浇道入流速度、型腔内气体的反压力、型壁状况、表面张力、界面热阻等 对充型过程速度分布和温度分布的影响。1993年，清华大学的荆涛、柳百成用 SO-LA-VOF法对充型过程进行了模拟，并 研究了充型过程对浇注完成后铸型内初始温
8、度场的影响。1994年，沈阳铸造研究所与香港理工大学合作， 运用SIMPLE算法结合SMAC法 对板类和套类压铸件充型过程中型腔内金属液流动进行了计算机模拟，还以水利充型 试验对上述模拟结果进行了验证。1995年，华中理工大学的陈立亮等人在分析气化模充型的传热、传质规律的基础 上，提出了一套关于气化模充填的三维数学模型，并开发了适用于微机的充填过程模 拟软件。1996年，华中理工大学的袁浩扬等人以 SO-LA-VOF法为基础，结合他们提出的 三维自由表面边界速度确定方法，实现了铸造充型流动过程的三维数值模拟。同年，西安交通大学的蔡临宁等人用 PHONEICSCFD软件做主模块，配以Van Le
9、er法解析守 恒标量方程的子模块，对三维型腔充填过程进行了数值模拟，并对二维流动问题的层 流模型和紊流模型进行了比较。1997年，清华大学、秦皇岛戴卡公司和一汽共同针对铸造中遇到的回转类铸件，开发出基于柱坐标系的充型与凝固模拟软件系统，有效地解决了基于直角坐标系的模 拟软件在处理回转类铸件、尤其是薄壁铸件的网格剖分结果不对称，模拟结果局部失 真等问题。1998年，哈尔滨工业大学的孙小波等人采用直接差分法建立的液态金属充型及传 热耦合计算的数值模型适用于不规则单元网格模型的充型及传热模拟计算，能较好地 处理具有复杂几何形状铸件的充型过程速度场和温度场耦合模拟，并在上述数值模型 基础上开发了充型过
10、程三维模拟计算程序 FT3D模块。沈阳铸造研究所的孙逊等人将 流体湍流流动计算技术和自由表面处理技术应用于液态金属充型过程数值模拟计算，并与层流计算和标准重力浇注试验进行对比，表明，湍流与层流计算在自由表面进展 方面差别不大，但在计算域内速度矢量分布上存在明显差别。3充型过程数值模拟技术新进展进入21世纪以来，充型过程数值模拟研究取得了很大进展，国内外许多学者对现行的一些充型过程三维数学模型和计算方法进行深入研究，做出了许多卓有成效的工 作。2001年，清华大学的贾良荣、熊守美等基于有限差分法建立了液态金属充填型腔 过程流动及耦合传热计算的数学模型，使用SOLAOVOF数值模拟技术开发了压铸充
11、型过程流动与传热的数值模拟分析软件。分别用层流假设和 K- &紊流模型对“弓”形型腔充型过程的流场进行了模拟计算，并与压铸水模拟实验的高速摄像进行比较。同 时使用所开发的模拟分析软件，对具有三维复杂形状的实际压铸件的充型过程的流场、 温度场进行了模拟，分析了充型过程中模具在型腔表面的温度变化规律，提出“瞬态 层”的概念。2003年，清华大学程万里等为提高低压铸造充型过程数值模拟的计算效率，根据低压铸造中充型的特点，提出了一种简化的充型过程数值模拟的数学模型，并用铝合 金轮毂铸件进行了充型过程的试验验证。2004年日本的Sakuragi和Takuya提出一种基于冷等静压法 （CIP）并考虑表面
12、张力的充型过程的算法。将该算法应用于挤压铸造和压铸过程数值模拟，并将模拟结 果与试验测定的气孔的位置和尺寸进行对比。由数值计算结果得知，表面张力对型腔 中气孔的预测至关重要。此外，提出一个判别在充型过程中气孔收缩还是扩张的判据 并且对其进行了试验验证。2005年，昆明理工大学陈乐平等通过实际计算比较了松驰因子和迭代次数n对铸造充型过程模拟软件中所使用的超松驰迭代法计算结果的影响，通过统计计算时 间来比较其计算所耗时长，并与英国伯明翰大学所做的标准验证实验对比验证其模拟 精度。4铸造模拟软件的开发状况铸造CAE的研究开发起步于上世纪 6 0年代，但只是在以下三个方面取得了重要 突破以后才使商品化
13、软件变为现实：（1 ）有处理三维复杂形体的图形功能；（2 ）硬件及软件的费用大幅度降到铸造工厂能接受的水平；（3 ）计算机操作系统及软件对用户友好。在分析铸件形成过程的商品化软件方面，第一个软件是德国Archen大学的SahmPR教授主持开发的MAGMSoft ,1989年在德国第七届国际铸造博览会上展出，以温度场分析为主，以后又增加了速度场、应力场和显微组织分析等内容。同时展出的还有英国FOSECO公司开发的Solstar软件。目前，发达工业国家都有自己的商品化模拟 软件，著名的如美国的Procast,德国的MAGMA，芬兰的CastCAE，西班牙的ForCas， 日本的CASTTEM，法国
14、的SIMULOR，瑞典的Novasolid等。许多软件可以对砂型铸 造、金属型铸造、精密铸造等进行温度场、流场及应力场模拟，预测铸件的缩松、缩 孔、热裂等缺陷和各部位的组织。其功能一方面正向压力铸造、熔模铸造等方面发展， 另一方面正从宏观模拟向微观模拟发展。其中美国的Procast和德国的MAGMA己增加了球墨铸铁组织中石墨球数及珠光体含量的预测功能。在这方面国内起步较晚，但进展迅速，已开发的商品化软件主要有清华的 FT-star, 华中科技大学的华铸CAE，沈阳铸造研究所的SriftCAST，与国外软件相当。另外， 实现铸造CAE在并行工程中的集成是人们目前关注的焦点。 上述研究成果都标志着
15、充 型过程计算机模拟技术日益成熟，为生产中的广泛应用奠定了基础。5充型过程数值模拟的计算方法流动过程的数值模拟是充型过程数值模拟的重点和难点。目前，用于计算流场的数值模拟技术主要有以下几种：SIMPLE、MAC、SMAC、SOLA-VOF法、守恒标量法、DFDM法及格子气模型。这些方法是计算流体力学领域不同阶段的研究成果。铸造充型过程的计算模拟是建立在计算流体力学基础上的工程应用，在不同阶段的计算 机模拟中曾选用了不同的计算方法。上世纪80年代末之前，主要采用SIMPLE、MAC、 SMAC法，9 0年代初主要采用 SOLA-VOF法、守恒标量法、DFDM法。不久的将来， 格子气模型可能成为充型过程计算的主要方法。5.1充型过程液体流动的数值模拟充型过程中涉及质量、动量和能量的传输，通常认为液态金属属于具有粘性的不 可压缩流体，且液态金属的热物性参数（密度/比热容和热导率等）为常数，在充型过 程数值模拟中，需要求解质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。充型过程早 期的研究，主要是针对计算方法的研究，以实现充型过程的模拟为目标，其后重点关 注自由表面处理，以提高模拟的准确性和逼真度。对自由表面的处理方法通常可分为 两类。跟踪法(Tracking method)跟踪法中具有代表性的是 MAC (Marker-and-cell)
