基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用技术

本发明专利技术属于铸造工艺优化技术领域，公开了一种基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用，通过对铸件结构及浇注系统进行初步分析，对原始浇注模型进行前处理并模拟计算；重新设计浇注系统，采用底浇式浇注方案，设置直浇道窝和横浇道延长段用于减小流速和冲击，设置冒口和冷铁用于减小缩松缩孔体积；采用正交试验设计优化浇注温度、浇注时间和铸型温度得到最佳浇注温度为670℃、浇注时间为5s、铸型温度为20℃。本发明专利技术通过模拟试验可以发现，铸造数值模拟技术在模拟铸造过程，探究残余应力演化，优化铸造方案等方面有着独特的优势并具有相当的可靠性，该技术的大规模运用将会对铸造产业的健康发展做出巨大贡献。将会对铸造产业的健康发展做出巨大贡献。将会对铸造产业的健康发展做出巨大贡献。

【技术实现步骤摘要】
基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用


[0001]本专利技术属于铸造工艺优化
，尤其涉及一种基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用。

技术介绍

[0002]目前，铸造技术是指将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。铸造技术拥有造价低廉、材料来源广泛、可应用于复杂工件成型、适用性强等优势，在机械制造、汽车工业、航空航天、军工国防等领域得到广泛应用。
[0003]现代铸造按照铸模材料分可以分为砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造造型方便、成本低廉、型砂可反复利用，广泛运用于中大型铸件、单批次制造；按照铸造工艺分可以分为重力铸造和压力铸造，重力铸造是使用最广泛、历史最悠久的铸造工艺，具有工艺简单、气孔少、铸件可进行热加工后处理等优点；压力铸造可成型复杂薄壁工件、铸件表面光滑、力学性能优异、生产效率高。随着材料科学的发展和工艺技术改进，更多铸造工艺不断涌现，例如壳型铸造、熔模铸造、消失模铸造等等，优势各异，活跃在航空发动机叶片、电动机机壳、涡轮叶片等高精尖制造领域。
[0004]随着现代工业的发展和环境保护的要求，铝合金应用愈加广泛，已和传统的钢铁材料一样成为应用最为广泛的金属材料之一。与铸钢和铸铁相比，铸造铝合金最突出的特点是重量轻，它是常用金属中最轻的结构材料之一；成熟的铸造工艺可以以较快的速度、较低的成本成型各种复杂形状的铝合金，并实现近净成型以减少金属加工量；此外它还具有高强度、优异的导电性、高反射率、良好的耐腐蚀性、优异的加工性以及美观的外观等特点，广泛运用于燃气轮机叶片、发动机机匣、汽车轮毂、变速箱箱体、船舶零件等工业产品中。
[0005]铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系和强化机理，但铸造铝合金含有足够量的硅、镁等共晶型元素以使合金有相当的流动性，易于进行充型和补缩。现代铸造铝合金根据合金元素可以分为四个系列：铝硅系、铝镁系、铝铜系和铝锌系，其中铝硅系铸造性能最佳，使用性能均衡，使用范围最为广泛。
[0006]铝合金熔液由于在熔点低、容积热容量小而导热率高，导致其在流动过程中温度迅速降低，粘度增大，充型能力降低，气泡难以排除残留在工件中形成气孔；铝合金化学性质活泼，和气体亲和力强，容易吸收气体并被氧化，且氧化物比重和铝液相近，难以去除从而形成夹渣；铝合金凝固过程中收缩较大且具有较宽的结晶温度范围，容易产生缩松缩孔缺陷；铝合金线收缩率较大，弹性模量较大，容易在冷却工程中产生较大的残余应力和应变，从而影响之间的使用性能和寿命。
[0007]铸造残余应力是由铸造应力未得到释放而存在于铸件内部的，铸造应力是热应力、相变应力和机械阻碍应力的代数和。铸件冷却过程中，铸件各部位薄厚不同，产生了冷却速度差异，从而产生了塑性变形的不均匀，导致冷却到室温后产生了不同方向的内应力，这种应力称为热应力；在结晶过程中，由于不同部分温度不同，各部分共晶结晶和共析转变
的时机不同以及组织体积不同，导致冷却到室温后铸件中存在和热应力方法相反的相变应力；铸件在固态收缩过程中，各部分由塑性到弹性状态的时机不同，型芯阻碍金属冷却收缩，导致铸件内造成程度不同的应变，产生机械阻碍应力。
[0008]铸造残余应力的产生会对铸件的使用性能和精度产生影响，主要体现在以下几个方面：
[0009]表1 残余应力对铸件性能的影响
[0010][0011][0012]残余应力大多数情况下在构件内是共轭存在的，因此需要残余应力的分布进行检测和分析以确定其对构件的影响，常规的检测方法根据原理可以分为两大类：
[0013](1)机械测量法，原理是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，测量由其带来的应变变化推算残余应力。常见的方法由转孔法、环芯法、剥层法、切条法等。这些方法测量精度高，技术较为成熟可靠，但会对工件产生一定的破坏和影响。
[0014](2)无损检测法，是一种以不损害被检测对象使用性能的前提下，应用声、光、磁和电等多种物理原理和化学现象，借助现代技术设备，对应力场进行检测的方法。常见的方法有磁粉检测、射线检测、超声检测、压痕应变检测等。这些方法各有特点，相对于机械测量来说，它们不会对工件产生不利影响，测量范围更广，操作更方便，但测量精度相对较低，设备昂贵。
[0015]无论是机械测量法还是无损检测法都难以对铸件残余应力的分布进行全流程、全方位的监控，难以表现加工过程中铸件残余应力的演化，且费时费力，效率不高，数值模拟技术在铸造领域的应用解决了这些问题。
[0016]在生产实践中，铸件成型过程是包括热量传输、动量传输、质量传输及相变在内的一系列物理化学变化过程，涉及到材料物性参数、工件造型、铸造工艺参数等因素，结果难以进行量化统计分析。操作人员凭借经验进行手工造型和工艺的设计优化，往往留有过大的设计余量，造成材料的浪费；手工作业效率低下，精度和工艺稳定性难以保证。因此传统铸造方法已经不能满足现代工业化需求。
[0017]铸造加工过程数值模拟技术是解决以上问题的有效方法，铸造数值模拟技术是指使用有限单元法、有限差分法等数值方法，结合流体力学、传热学、金属学等理论来计算模拟铸造过程中浇注、凝固、冷却过程的计算机模拟技术。现阶段铸造加工过程数值模拟技术主要用于充型阶段合金熔液流动场和温度场耦合过程模拟、温度场模拟及缩松缩孔预测、
应力场模拟和铸件微观组织模拟。该技术可以在不进行实际试验的情况下，模拟铸造过程，预测铸造缺陷，优化铸造工艺，对铸造生产提供指导。
[0018]ProCAST系统是为以有限元方法为基础的专业铸造模拟CAE系统，它能准确模拟金属铸造过程的流动、凝固、冷却过程，计算铸件成型全过程的温度场、应力场和流场，并结合铸造工艺学和相关判据，得到缺陷位置，显示残余应力应变，预测缩松缩孔和微观组织的变化，并能对铸造过程中出现的特殊工艺措施进行计算。ProCAST系统具有模块化设计、精确的几何描述、CAD/CAE高度集成、工程化界面、可独立完成热
‑
流动
‑
应力完全耦合计算等优点，广泛运用于常规铸造以及半固态铸造、离心铸造、倾斜铸造、精密铸造、连续铸造等特种铸造领域。系统铸造模拟过程包三个部分：
[0019](1)前处理：该部分主要为数值模拟提供铸件和铸型的几何信息、铸件和造型材料的性能参数信息以及铸造工艺信息，主要由外源CAD系统、Mesh模块和Cast模块完成。
[0020](2)中间计算：该部分为根据铸造过程涉及的物理场为数值技术提供计算模型，根据铸件质量或缺陷于物理场的关系预测铸件质量，主要由solver求解器完成。
[0021](3)后处理：以图像和曲线的方式直观地输出数值计算，并提供数学分析工具，主要由Viewer模块完成。
[0022]为了保证铸造残余应力数值模拟技术的准确性和可靠性，中外学者付出了不懈努力，并获得了诸多进展。材料的准确建模是模拟计算的关键。Baghani等人证明了将砂模设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法包括：使用CAD软件建立相关三维模型，利用有限元方法得出温度场、应力场和填充情况的参数，分析模拟结果，预测可能的铸造缺陷，优化改进浇注工艺以消除铸造缺陷并获得更好的铸件残余应力表现；通过对铸件结构及浇注系统进行初步分析，对原始浇注模型进行前处理并模拟计算；重新设计浇注系统，采用正交试验设计确定最佳的浇注温度、浇注时间和铸型温度。2.如权利要求1所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法还包括：利用CAD软件建立相关三维模型，将模型导入PROCAST MASH进行网格划分；设定材料特性、浇注条件和边界条件，进行有限元模拟计算得到温度场、应力场和填充情况；根据铸件应力场分析铸件凝固后的残余应力大小及分布，确定工程部件的特征敏感部位；根据铸件温度场分析熔液的凝固时间和顺序，判断缩松缩孔的产生；根据填充情况图分析熔液浇注时的速度和填充时间，观察熔液流动过程；根据分析结果调控材料参数及工艺参数，分析部件铸造过程中残余应力的水平；采用正交试验设计优化浇注温度、浇注时间和铸型温度。3.如权利要求1所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法包括以下步骤：步骤1：跟据铸造图纸简单设计初始浇注方案，使用CAD软件建立1：1铸件和浇注系统模型；步骤2：将模型导入ProCAST软件，对模型进行前处理，根据处理浇注工艺、材料特性和模拟要求灯设置模拟参数，进行模拟运算；步骤3：分析模拟运算结果，结合铸造工艺学改进浇注系统设计；步骤4：利用网格试验进行网格无关性验证，得到网格参数；步骤5：重新划分有限元网格，根据正交试验设计法优化浇注参数进行模拟试验，得到优方案；步骤6：对优方案进行验证。4.如权利要求3所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述步骤1中的初始浇注方案包括：所述初始浇注方案采用顶浇式，金属液从铸型上部浇注沿着浇口杯和主浇道进入型腔，从下至上充满整个型腔；铸件材料为铝合金ZL114A，合金液相线为616℃，固相线为556℃，室温20℃下密度为2730Kg/m3；浇铸温度应控制在液相线以上10～110℃范围内；在铸造实践中，通过控制浇注时间控制浇注速度，并得出如下经验公式：t＝AG
n
；其中，对于铝合金系数A＝2.4，N＝0.387，G取铸件质量的2.5倍，带入相关数据得理论浇注时间t＝5.02s。5.如权利要求3所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述步骤2中的数值模拟前处理包括模型预处理和模型前处理，所述模型预处理根据铸
件图纸使用CAD软件建立模型，并对铸件进行合理的修改和简化，所述铸件颈部横向通孔和竖向盲孔直径9mm小于砂型最小铸出孔直径20mm，通过后期机加工钻孔，在铸造模拟前去除这两个长孔；将砂型作为砂箱的一部分且作为弹塑性力学模型处理；所述模型前处理将预处理过的模型导入ProCAST软件的Visual
‑
Mesh模块进行网格划分；所述网格划分为模型添加虚拟砂箱，尺寸为300
×
300
×
250mm；面网格类型为三角形，尺寸设定为10mm，对模型和虚拟砂型表面进行网格划分；面网格检查合格后，将面网格转换为体网格，类型为四面体、六节点单元；重力加速度取为9.80m/s2；铸型选用ENAC
‑
42100AlSi7Mg0.3，冷却速度为10k/s，初始温度为浇注温度700℃，砂型采用Resin Bonded Sand，初始温度为室温20℃，力学模型设定为弹塑性模型；砂型和金属的界面换热参数设置为500W/m2·
K，砂型和外界空气的换热系数为10W/m2·
K，冷却方式为空冷至室温；根据合金性能和浇注条件，浇注时间定为10s，浇注速度为0.204kg/s，浇注温度设置为700℃；为了得到模型应力场，对砂型进行约束，约束面为除浇口外所有的外表面，位移设置为0。6.如权利要求3所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，其特征在于，所述步骤3中的分析模拟结果包括：将金属液体简化为不可压缩的牛顿流体，根据牛顿第二定律得出粘性流体的运动微分方程：方程：方程：式中，ρ为流体密度，t为流体流动时间，μ为流体运动粘度，g
x
、g
y
、g
z
为三个坐标轴方向的重力加速度分量，为拉普拉斯算子，p为流体单位体积压力，u、ν、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亮，王通，李智成，范国华，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：