鑄件凝固過程數(shù)值模擬

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1、鑄件凝固過程數(shù)值模擬1．鑄件凝固過程數(shù)值模擬作為鑄造工藝過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，溫度場模擬技術(shù)的發(fā)展歷程最長，技術(shù)也最成熟。溫度場模擬是建立在不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?？紤]了傳熱過程的熱傳導(dǎo)、對流、輻射、結(jié)晶潛熱等熱行為。所采用的計(jì)算方法主要有：有限差分法、有限元法、邊界元法等；所采用的邊界條件處理方法有N方程法、溫度函數(shù)法、點(diǎn)熱流法、綜合熱阻法和動(dòng)態(tài)邊界條件法；潛熱處理方法有：溫度回升法、熱函法和固相率法。???自丹麥Forsound于1962年第一次采用電子計(jì)算機(jī)模擬鑄件凝固過程以來，為鑄造工作者科學(xué)地掌握與分析鑄造工藝過程提出了新的方法與思路，在全世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了積極的影響

2、，許多國家的專家與學(xué)者陸續(xù)開展此項(xiàng)研究工作。在鑄造工藝過程中，鑄件凝固過程溫度場的數(shù)值模擬計(jì)算相對簡單，因此，各國的專家與學(xué)者們均以鑄件凝固過程的溫度場數(shù)值模擬為研究起點(diǎn)。繼丹麥人之后，美國在60年代中期開始進(jìn)行大型鑄鋼件溫度場的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算研究，且模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測溫度場吻合良好；進(jìn)入70年代后，更多的國家加入了鑄件凝固過程數(shù)值模擬的研究行列中，相繼開展了有關(guān)研究與應(yīng)用，理論研究與實(shí)際應(yīng)用各具特色。其中有代表性的研究人員有美國芝加哥大學(xué)的R.D.Pehlke教授、佐治亞工學(xué)院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英輔教授、大阪大學(xué)的大中逸雄教授、德國亞探工業(yè)大學(xué)的P.Sham教

3、授和丹麥科技大學(xué)的P.N.Hansen教授等。我國的鑄件凝固過程溫度場數(shù)值模擬研究始于70年代末期，沈陽鑄造研究所的張毅高級工程師與大連工學(xué)院的金俊澤教授在我國率先開展了鑄造工藝過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究工作，雖然起步較晚，但研究工作注重與生產(chǎn)實(shí)踐密切結(jié)合，取得了較好的應(yīng)用效果，形成了我國在這一研究領(lǐng)域的研究特色。???1988年5月，在美國佛羅里達(dá)州召開的第四屆鑄造和焊接計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬會議上，共有來自10個(gè)研究單位的從事鑄造凝固過程計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)研究的專家和學(xué)者參加了會議組織的模擬斧錘型鑄件凝固過程的現(xiàn)場比賽。由于該鑄件在幾何形狀上屬復(fù)雜類型，模擬計(jì)算有一定的難度。從比賽結(jié)果看，絕大部分

4、的模擬結(jié)果與實(shí)際測溫結(jié)果相吻合。此次比賽得出如下結(jié)論：???l）鑄件凝固過程的計(jì)算機(jī)模擬達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃?，如三維自動(dòng)刻分、三維模擬計(jì)算、三維溫度場顯示等，并產(chǎn)生了一些軟件包，如日立公司的HICASS、丹麥的Geomesh、大阪大學(xué)的SOLAM及亞琛的CASTS等。???2）模擬計(jì)算的結(jié)果都接近實(shí)測，這說明有限差分、有限元和邊界元這三種計(jì)算方法對溫度場計(jì)算都能滿足精度要求，同時(shí)也說明了鑄件凝固過程溫度場計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算技術(shù)已趨成熟。???3）比賽結(jié)果是新山英輔獲勝。他所提出的縮松判據(jù)成為預(yù)測縮松缺陷的理想判據(jù)之一，常用于鑄鋼件的縮松預(yù)測。???圖1為一斧錘型鑄件，圖2為新山英輔的模擬計(jì)算結(jié)果。?

5、??在我國，70年代末開始對鑄件凝固過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究工作，對凝固工藝進(jìn)行控制。以此為基礎(chǔ)，在“七五”期間，沈陽鑄造研究所組織了五校一所一廠的聯(lián)合攻關(guān)組，開展了題目為大型鑄鋼件鑄造工藝CAD的國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目的研究工作。由研究所、大學(xué)和工廠組成聯(lián)合攻關(guān)組，充分說明了我國在這一領(lǐng)域中重視理論研究與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合。在“七五”攻關(guān)課題研究中，對鑄件凝固過程的數(shù)值模擬、鑄鋼件的縮孔縮松判據(jù)、鑄件熱應(yīng)力計(jì)算、澆注系統(tǒng)CAD、冒口系統(tǒng)CAD、外冷鐵工藝CAD等進(jìn)行了較為系統(tǒng)與細(xì)致的研究，開發(fā)出SIMU-3D模擬計(jì)算及工藝設(shè)計(jì)等一批軟件，縮短了與國際先進(jìn)水平的差距。???以SIMU-3D軟件為

6、基礎(chǔ)，根據(jù)電渣熔鑄工藝的特點(diǎn)，開發(fā)了電渣熔鑄工藝過程計(jì)算機(jī)模擬軟件ESRC-3D。利用該軟件對電渣熔鑄工藝過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，取得了較好的效果。在電渣熔鑄過程中，參加熱交換的介質(zhì)較多，傳熱關(guān)系復(fù)雜。又因?yàn)殍T件、金屬熔池、渣池和電極的位置在整個(gè)工藝過程中是在不斷變化的，故其模擬計(jì)算域中的單元屬性都在不斷的發(fā)生變化，因此其模擬計(jì)算有一定的難度。金屬熔池與渣池的熱交換、金屬熔池的凝固、鑄件金屬、渣池與結(jié)晶器之間的熱交換等都采用博里葉導(dǎo)熱微分方程作為傳熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。在渣池中，由于受到電壓和電流的作用，渣阻生熱，加熱了電極，使其熔化，形成金屬熔滴，自由下落，形成金屬熔池。因此，熔滴的形

7、成與電壓、電流、渣池的吸熱和傳熱、金屬熔池的吸熱和傳熱及冷卻系統(tǒng)的強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)電渣熔鑄過程的物理分析，采用能量法建立了金屬熔滴形成的數(shù)學(xué)模型，將這一模型與前述的傅里葉導(dǎo)熱模型聯(lián)立，方能把整個(gè)電渣熔鑄過程描述準(zhǔn)確。能量法簡述如下：???設(shè)單位時(shí)間內(nèi)渣油得到的總熱量為Q＝IU，由渣油散失的熱量為Q′，并有?????????????????????????????Q′＝Q′1＋Q′2＋Q′3＋Q′4式中?I——通