泵體鑄件凝固過程模擬.doc

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1、第一章緒論1．1選題的背景及意義鑄造行業(yè)是一個古老而又非常重要的傳統(tǒng)行業(yè)，具有數(shù)千年的歷史。無論過去還是現(xiàn)在，無論發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，鑄造行業(yè)對國民經(jīng)濟的發(fā)展都起著十分重要的作用。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，鑄件(按重量計)在機床、內(nèi)燃機、重型機器中占70％～90％，農(nóng)業(yè)機械中占40％--70％。此外，在冶金工業(yè)、能源工業(yè)的水電站、火電站與核電站、航空、航天等產(chǎn)業(yè)部門都發(fā)揮著重要作用。鑄造技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)機械化的發(fā)展而獲得了巨大發(fā)展，但我國鑄造行業(yè)的技術(shù)水平與國外相比有較大差距，它嚴重制約著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展。我國鑄件年產(chǎn)量已超過1000萬噸。居世界第二，但其中高性能、優(yōu)質(zhì)鑄

2、件的比例只占20．7％，麗美國已占40．7％(1998年統(tǒng)計)；精密鑄件比例只占2％，而美國已占13％(1994年統(tǒng)計)。又如，服務(wù)予航空、航天工業(yè)的精密熔模鑄造業(yè)，全世界銷售額為52.3億美元，其中美國為24.8億獎元，占47.4％，而中國僅1．8億美元，只占3.4％。另外，我國鑄件重量平均比國外重10％、20％，勞動生產(chǎn)率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽車發(fā)動機缸體鑄件為例：我國生產(chǎn)的發(fā)動機缸體鑄件平均壁厚為5.5～6.0mm，而國外只有3.5-4.5mm。我國的轎車生產(chǎn)已有多年歷史，但目前發(fā)動機鑄鐵缸體質(zhì)量仍然是關(guān)鍵技術(shù)問題。鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真是鑄造學(xué)科發(fā)

3、展的前沿領(lǐng)域，是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)的重要途徑。經(jīng)歷了數(shù)十年的努力，鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真發(fā)展已進入工程實用化階段。鑄造生產(chǎn)正在由憑經(jīng)驗走向科學(xué)理論指導(dǎo)。鑄件充型凝固過程的數(shù)值模擬，可以幫助工作人員在實際鑄造前對鑄件可能出現(xiàn)的某些缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間予以有效的預(yù)測，在澆注前采取對策以確保鑄件的質(zhì)量。縮短試制崗期，降低生產(chǎn)成本。計算機技術(shù)的突飛猛進使得這一夢想成為現(xiàn)實。1．2用計算機技術(shù)改造傳統(tǒng)鑄造行業(yè)1．2．1鑄造過程計算數(shù)值模擬的國內(nèi)外研究概況隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機在鑄造中的應(yīng)用越來越廣泛。60年代初，杰·麥德弗洛桑德把戴森摩爾等人在工程應(yīng)用中提出

4、的有限差分近似法第一次用于鑄造凝固過程的傳熱計算，開始了鑄件凝固的過程模擬。此后，美國密西根大學(xué)的曼.萬等人以及日本的大中逸雄等相繼開始了凝固過程模擬，并取得了顯著的進步。在第50屆國際鑄造年會舉辦的“凝固過程計算機模擬”專題討論會上，深入討論了鑄件凝國過程數(shù)值模擬在研究微觀組織結(jié)構(gòu)和鑄件性能等方面的應(yīng)用，總結(jié)了凝固過程模擬所依據(jù)的。系列關(guān)系式，并設(shè)想利用這些關(guān)系式將幾何模數(shù)、凝固參數(shù)、合金性能及微觀組織參數(shù)等有機地聯(lián)系起來，并提出了鑄造工藝CAD的概念。我國從1978年開始開展鑄件凝固數(shù)值模擬研究，三十四年來的研究已形成了我國凝固模擬技術(shù)研究的特色。鑄件凝固數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)

5、展至今可分為3個階段：a)基礎(chǔ)研究階段，著重于計算模擬；b)預(yù)測研究階段，對擬定好的工藝方案進行檢查，以預(yù)測質(zhì)量，并通過模擬澆注系統(tǒng)修改方案；c)優(yōu)化工藝設(shè)計，包括計算模擬、幾何模擬及數(shù)據(jù)庫，并使之有機結(jié)合起來。有時把這3個階段綜合稱為鑄造工藝CAD，有時又特指為第三階段。目前就國外而言，鑄造工藝CAD正處在第三階段。因此，在實際研究中鑄造工藝CAD應(yīng)包括4個部分，即：凝固過程數(shù)值模擬(熱場模擬)、充型過程數(shù)值模擬(流場模擬)、熱應(yīng)力及殘余熱應(yīng)力數(shù)值模擬(力場模擬)和微觀模擬(組織模擬)。1．2．2鑄件沖型過程數(shù)值模擬鑄造生產(chǎn)的實質(zhì)就是直接將液態(tài)金屬澆入鑄型并在鑄型中凝固和

6、冷卻，進而得到鑄件。液態(tài)金屬的充型過程是鑄件形成的第一個階段。許多鑄造缺陷如卷氣、夾渣、澆不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情況下產(chǎn)生的。因此對充型過程進行數(shù)值模擬非常必要。目前研究多數(shù)以SOLA-VOF法為基礎(chǔ)，引入體積函數(shù)(VolumeofFunction)處理自由表面。并在傳熱計算和流量修正等方斷進行研究改進。研究在對層流模型進行大量的實驗驗證之后，用K-e雙方程模型模擬鑄件充型過程的紊流現(xiàn)象。目前，雖然已研究了許多算法，如并行算法、三維有限單元法、三維有限差分法、數(shù)值算法與解析方法混合的算法等，但是到現(xiàn)在仍然沒有找到最好的算法，各種算法各有優(yōu)劣，應(yīng)用的側(cè)重點各不相同

7、。在提高計算速度方面，祝昭德等人曾提出了一種基于DFDM的算法，對于規(guī)模為一百萬單元(鑄件單元)的系統(tǒng)可減少存儲量80MB。常用的網(wǎng)格是矩形單元(2D)或正交的平行六面體單元(3D)。不過日本的本娜卡等人提出了一種新的網(wǎng)格劃分方法，即無結(jié)構(gòu)非正交網(wǎng)格。這種技術(shù)是通向較高精度充型模擬的可能途徑之一。目前砂型鑄造的充型模擬研究在鑄造過程計算機模擬中占主要地位，然而消失模鑄造、金屬型鑄造等充型模擬的研究工作也已經(jīng)開始。當前關(guān)于充型的一個發(fā)展趨勢是輔助設(shè)計澆注系統(tǒng)，因為模擬的最終目的就是為了輔助設(shè)計。麥克大衛(wèi)和丹特茲格在這