用于对铸造金属物体中的孔隙分布进行预测的方法技术

一种用于通过如下的方式来预测在铸造金属物体(1)的过程中由于凝固而引起的孔隙缺陷的计算机实现的方法：对于基于金属物体(1)的3D计算机模型(2)定义的求解域(4)对部分液体分布场进行计算，并且通过在部分液体分布场中找到最小值来定义由界面区域(9)分开的互连的进料单元(8)的二阶图形状子网格。通过对进料单元(8)和与其相邻的进料单元(8)之间的金属流入和金属流出的总体积进行计算并且对进料单元(8)中的金属收缩进行计算来确定进料单元(8)中的每个的孔隙体积的变化；以及一种程序产品。产品。产品。

【技术实现步骤摘要】
用于对铸造金属物体中的孔隙分布进行预测的方法


[0001]本公开涉及牵涉在模具的型腔中对金属物体进行铸造的过程。具体地，本公开涉及通过经由模拟来预测由于待铸造的物体中的收缩而引起的孔隙缺陷并且通过提供改变过程条件以提高铸造物体质量的手段来改进这种金属铸造过程。

技术介绍

[0002]铸造是将液体材料浇注到模具中的制造过程，该模具中包含所需形状的中空型腔。依赖于与液体材料的环境(例如模具、空气)的局部热交换，液体材料根据材料特定的相变物理特性而冷却和凝固。凝固的部分也称为铸件，将该铸件从模具中顶出或摆脱以完成该过程。铸造最常用于生产复杂的形状，而这些复杂的形状很难生产或不经济地通过其他方法生产。如果铸造材料是金属，则将这种金属材料加热到高于所谓的液相线温度的浇注温度，然后浇注到模具中，该模具还可以包括能够控制铸件的填充和凝固的流道和冒口。然后金属在模具中冷却，金属凝固，并且凝固的部分(铸件)在过程和材料特定的金属温度或过程时间从模具中取出。随后的操作将铸造过程所需的多余材料(诸如流道和冒口)去除。
[0003]在金属铸造中，缺陷和其他不期望的结果通常被称为不规则性。金属铸件中出现的一些不规则性是可以容忍的，而其他不规则性则需要被防止或至少最小化。一种这样的不规则性是由于铸件中的金属收缩而引起的孔隙，该孔隙可以基于局部孔隙体积而被识别为宏观孔隙或微观孔隙。当金属在相变期间收缩时会产生孔隙，而这种收缩无法通过从铸件的其他区域向收缩区域供给静止的液体金属来补偿。
[0004]金属铸造过程的模拟可以使用包括数值方法的多种技术，以考虑填模、凝固和进一步冷却来计算铸造部件质量，并可以在整个铸造期间的每个时间点处提供铸件机械性能的定量预测和诸如热处理之类的的附加的处理步骤。因此，此类模拟可以在生产开始之前预先描述铸件的质量。然后可以根据所需的部件质量和特性设计铸造索具。由于整个铸造系统的精确布局还可以节省能源、材料和工具，因此这样做的好处不仅仅是减少生产前的取样。该模拟可以支持部件设计中的产品设计师或铸造厂确定熔化实践和铸造方法包括模型和模具制造、热处理以及精加工。这可以沿着整个铸造制造路线节省成本、资源和时间。
[0005]一些市售的模拟软件解决方案提供了用于预测诸如金属铸造过程期间的孔隙形成之类的不规则性的手段。然而，这些已知的模拟软件解决方案还不能以所需的精度有效地计算和准确预测具有复杂几何形状的铸造金属物体中孔隙缺陷的量和位置。
[0006]在宏观尺度上进行计算可以实现相当短的计算时间，但提供的关于个别预测缺陷的详细信息较少。具体地，诸如微观液体流动之类的效应，尤其是流过局部位置处复杂生长的凝固微观结构的流动的效应在凝固期间没有被详细考虑，但可能会对结果产生重大影响。在凝固期间，即，从液体到固体的相变，固相在熔体中生长，通常从满足物理条件的几个位置开始。在局部凝固期间，生长的固体本体对熔体流动具有一定的渗透性，该渗透性取决于局部条件和凝固的部分的程度。除了宏观尺度上的熔体流动，例如由于对流，这种“微观”熔体流动可能会显着影响孔隙缺陷的量和位置。除了考虑相关影响的两个适当物理模型的
可用性以及建模所需的经过验证的数据之外，准确计算这些类型的影响还需要对铸造金属进行极高分辨率的离散化。这种高分辨率计算通常需要巨大的计算机容量和计算时间，因此不适用于生产公司，这些公司实际上广泛使用过程模拟以便设计稳健的过程并保持指定的铸造质量。

技术实现思路

[0007]一个目的是提供一种用于确定铸造金属物体中的由于收缩引起的孔隙的改进的方法和系统，该方法和系统克服或至少减少了上述问题。
[0008]上述和其他目的通过本专利技术的实施方式的特征实现。根据说明书和附图，进一步的实施形式是明显的。
[0009]根据第一方面，提供一种计算机实现的方法，所述计算机实现的方法用于通过确定由于凝固而引起的孔隙的数量和位置的变化来改进在模具的型腔中铸造金属物体的过程，所述方法包括：
[0010]提供定义至少待铸造的金属物体的几何形状的3D计算机模型；
[0011]基于3D计算机模型使求解域离散化，以形成具有多个3D单元的3D网格；
[0012]指定边界条件，所述边界条件包括至少在铸造中所涉及的材料的相关材料特性(诸如热物理特性)；
[0013]基于过程特定边界条件，对在铸造期间金属物体的凝固过程的至少一个时间步长进行模拟，针对凝固过程的至少一个时间步长的所述模拟包括：
[0014]对瞬态方程进行求解，所述瞬态方程表示针对求解域的凝固过程的瞬态物理特性；
[0015]对用于所述求解域的部分液体分布(F
l
)进行计算，其中部分液体(f
l
)被定义为3D单元中的液体金属的部分；
[0016]基于部分液体分布(F
l
)确定求解域内的至少一个进料单元(FU)，其中进料单元被定义为具有高于零的部分液体值f
l
>0和不等于零的部分液体梯度值的一组互连的3D单元，并且其中相邻的进料单元由界面区域分开，其中界面区域被定义为具有等于零的部分液体梯度的一组互连的3D单元；以及
[0017]对至少一个进料单元中的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算。
[0018]将求解域划分为进料单元可以用于通过用通常由一个直到几百个FU组成的图形状子网格替换物体网格来提高计算孔隙体积和孔隙位置的变化的性能，这大大减少了计算时间，特别是对于几何形状复杂的物体，诸如引擎块，其中需要数百万个网格元素来表示物体几何形状。这些减少的计算时间允许动态调整模拟过程的铸造布局和边界条件，以及运行许多模拟以便寻求最佳的铸造设计和过程设置，以使与孔隙相关的缺陷最小化、消除或优化，从而有效地提高待铸造的物体的最终质量。
[0019]在一实施方式中，对至少一个进料单元中的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算包括使用连续方程和达西定律通过下述来进行：对进料单元和与所述进料单元相邻的进料单元之间的金属流入和金属流出的总体积进行计算以及对进料单元中的金属收缩进行计算。
[0020]在第一方面的可能的实现形式中，对至少一个进料单元中的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算包括通过如下方式对耦合的方程组M进行迭代求解：
[0021]确定针对每个进料单元的总单位体积V
i
和初始孔隙体积V
ip,0
；以及
[0022]根据如下的方程类型A对每个进料单元中的孔隙体积的瞬态变化进行计算：
[0023][0024]其中
[0025]‑
表示进料单元中的孔隙体积变化的速率，
[0026]‑
表示进料单元中由于冷却和相变而引起的体积收缩的速率，以及
[0027]‑
∑
j
α
ij
P
ij
表示在进料单元与所有相邻的进料单元之间的金属流入和金属流出的总体积本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种计算机实现的方法，所述计算机实现的方法用于通过确定由于凝固引起的孔隙的数量和位置的变化来改进在模具的型腔中铸造金属物体(1)的过程，所述方法包括：提供定义至少待铸造的金属物体(1)的几何形状的3D计算机模型(2)；基于所述3D计算机模型(2)使求解域(4)离散化(101)，以形成具有多个3D单元(7)的3D网格(6)；指定(102)边界条件，所述边界条件包括至少在铸造中所涉及的材料的材料特性；基于过程特定边界条件，对在铸造期间所述金属物体的凝固过程的至少一个时间步长进行模拟(103)，针对所述凝固过程的所述至少一个时间步长的所述模拟包括：对瞬态方程进行求解(104)，所述瞬态方程表示针对所述求解域(4)的所述凝固过程的瞬态物理特性；对用于所述求解域(4)的部分液体分布F
l
进行计算(105)，其中，部分液体f
l
被定义为所述3D单元(7)中的液体金属的部分；基于所述部分液体分布F
l
确定(106)所述求解域(4)内的至少一个进料单元(8)，其中，进料单元(8)被定义为具有高于零的部分液体值f
l
>0和不等于零的部分液体梯度值的一组互连的3D单元(7)，并且其中，相邻的进料单元(8)由界面区域(9)分开，其中，所述界面区域(9)被定义为具有等于零的部分液体梯度的一组互连的3D单元(7)；以及对所述至少一个进料单元(8)中的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算(107)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个进料单元(8)中的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算(107)包括使用连续方程和达西定律通过下述来进行：对进料单元(8)和与所述进料单元(8)相邻的进料单元(8)之间的金属流入和金属流出的总体积进行计算(107A)以及对所述进料单元(8)中的金属收缩进行计算(107B)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，对所述至少一个进料单元(8)的每个进料单元中的孔隙的数量和位置的变化进行计算(107)包括通过如下的方式对耦合的方程组M进行迭代求解：确定(1071)针对每个进料单元(8)的总单位体积V
i
和初始孔隙体积V
ip,0
；以及根据如下的方程类型A对每个进料单元(8)中的孔隙体积的瞬态变化进行计算(1072)：其中，
‑
表示所述进料单元(8)中的孔隙体积变化的速率，
‑
表示所述进料单元(8)中由于冷却和相变而引起的体积收缩的速率，以及
‑
∑
j
α
ij
P
ij
表示在所述进料单元(8)与所有相邻的进料单元(8)之间的金属流入和金属流出的总体积；其中，每个进料单元(8)中的孔隙体积V
ip
被计算为初始孔隙体积V
ip,0
与孔隙体积的瞬时变化之和；以及其中，
如果计算出的任何进料单元(8)中的孔隙体积小于零V
ip
<0，则通过为这些进料单元(8)指定(1073)零孔隙V
ip,0
＝0，并且用如下的方程类型B替换方程类型A来再次对所述方程组M进行求解：其中，
‑
表示所述进料单元(8)中的体积收缩的速率，
‑
∑
j
α
ij
P
i
表示从所有相邻的进料单元(8)到所述进料单元(8)的金属流入的总体积，以及
‑
∑
j
α
ij
P
j
表示从所述进料单元(8)到所有相邻的进料单元(8)的金属流出的总体积。4.根据权利要求3所述的方法，其中，对所述进料单元(8)和与所述进料单元(8)相邻的进料单元(8)之间的金属流入和金属流出的总体积进行计算(107A)包括：通过将相邻的进料单元(8)之间的等效界面区域(9)A
eqij
除以等效通道长度l
eqij
来对所述相邻的进料单元(8)之间的进料亲和力α
ij
进行计算(1074)：其中，所述等效界面区域(9)A
eqij
是通过将相邻的进料单元(8)之间的渗透率K
a
作为将所述相邻的进料单元(8)分开的所述界面区域(9)S上的部分液体f
l
的函数进行积分来计算的：并且其中，所述等效通道长度l
eqij
被定义为所述界面区域(9)分别与每个进料单元(8)中的最大部分液体值或经验临界部分液体值f
l临界
的位置之间的最短距离之和，其中，所述最大部分液体值与所述经验临界部分液体值f
l临界
以较小者为准：以及根据如下的方程对相邻的进料单元(8)之间的压差P
ij
进行计算(1075)：P
ij
＝P
i
‑
P
j
‑
ρgΔh
ij
其中，
‑
P
i
和P
j
是所述相邻的进料单元(8)中的等效压力，所述等效压力能够根据所述进料单元(8)是否与外部边界(空气)接触而最初被指定...

【专利技术属性】
技术研发人员：维塔利，
申请(专利权)人：马格马铸造工艺有限公司，
类型：发明
国别省市：