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铸造过程模拟技术

铸造过程模拟仿真技术(简称铸造CAE技术)是利用数值技术、数据库技术、可视化技术并结合凝固传热、流体力学等理论对铸件形成过程的流场、温度场、应力场进行模拟仿真,并对铸件缺陷(如浇不足,冷隔,裂纹,缩孔缩松,变形,裂纹缺陷)进行预测的技术。采用这项技术可以优化铸造工艺,并可用电脑浇注的方法来可视化地显示出铸造全过程以及缺陷形成过程。这可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性,确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力,是铸造工艺由“经验”走向“科学”的重要途径,对推动铸造技术进步具有举足轻重的作用,是改善企业T(产品上市时间)、Q(质量)、C(成本)、S(服务)的必要手段,对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。

1 铸造过程充型模拟技术

铸造充型过程数值模拟多采用SOLA-VOF法,SOLA是求解速度场-压力场的迭代方法,而VOF则是处理自由表面的方法。SOLA-VOF法数学模型是:


·连续性方程


· 动量方程


·体积函数方程


·能量方程


上面各式中:

U,V,W:x,y,z方向的时均速度;

ρ:液体密度;

Ρ:时均压力;

gx,gy,gz:x,y,z方向重力加速度分量;

γ:运动粘度;

F:液相体积分数;

T:液体温度;

c:比热;

λ:导热系数;

2 铸造凝固过程模拟技术

铸件凝固过程中存在四个相:液相、液固相、固液相、固相。凝固过程是个动力学过程,该过程存在热量、质量和动量传输即“三传”。铸件的凝固过程可以认为是一个不稳定的导热过程。其数学模型为:

式中T为温度;C为比热;ρ为液相和固相的平均密度;Q

目前铸造过程模拟技术不断向广度、深度扩展,其发展趋势有以下6个方面:

1、由宏观模拟向微观模拟发展

铸造宏观模拟的研究主要是温度场、速度场、变形场模拟。可以预测铸造过程中的缩孔、缩松、热裂、变形等缺陷。铸造过程模拟的目的更在于进一步预测和控制铸件的微观组织。

2、单一分散向耦合集成方向发展

模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟普遍进入到耦合集成阶段。

3、共性、通用向专用、特性方向发展

研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。主要有以下两个方向:

(1)解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题:

压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造、电渣熔铸等特种铸造。

(2)解决铸件的缺陷消除问题

目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析的研究。

4、重视提高数值模拟精度和速度的基础

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