一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法技术

本发明专利技术涉及基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，特别是一种基于有限元热力耦合计算定量化反变形量的大型铸件模型设计方法。首先，通过综合考虑铸件凝固，冷却，打箱，切除浇注系统和热处理影响建立有限元热应力模型，准确预测铸件在整个热加工工序中的变形。然后，根据铸件结构特征和不同区域拘束度的不同，设置不同的反变形松弛系数，对原始模型进行反变形处理。反变形松弛系数由计算节点处的应力水平决定，应力值越大松弛系数越小。针对添加反变形的模型，进行整个热加工过程的数值模拟计算和迭代，最终确定合理的铸件模型尺寸，生产出加工余量合适均匀的铸件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铸件模型设计领域，特别是一种基于数值模拟定量设置反变形量的铸件模型设计方法。
技术介绍
铸件在热加工过程中存在热应力和相变应力，由于铸件壁厚不均匀，形状复杂，受 力不均，必将产生变形，影响铸件尺寸精度。近年来，铸造过程中铸件的热应力及变形越来 越受到人们的关注，尤其是复杂结构件。开展了很多热应力和变形的理论和数值模拟的研 究，但由于铸件生产过程中的各个工序凝固、冷却、打箱、切除浇注系统和热处理都影响着 铸件的最终形状，使得准确预测机加工之前铸件的残余应力及加工余量成为一个难题。为 保证机加工时铸件有足够的加工余量，多数生产厂家在生产复杂铸件时，往往在设计时靠 增加加工余量的方法来保证铸件最终不出现缺肉的现象。然而增加加工余量给生产带 来能耗增加，出品率低，后续机加工耗时长等问题，不仅使企业生产成本大幅提高，也不符 合国家节能降耗要求。 目前，绝大部分热应力模型只针对凝固和冷却两个阶段进行模拟，忽略了后续的 打箱、切除浇注系统和热处理这几个工序对热应力和变形的影响，不能准确地预测铸件在 进行机加工之前的尺寸变化和剩余加工余量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，能够 成功预测复杂铸件铸造之后的残余应力与变形，在此基础上，根据铸件的结构特征给出铸 件各部位的反变形量，从而很好的设计铸件结构，使得铸件最终加工余量较小且分布均匀， 降低生产成本。 本专利技术的技术方案是 —种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，包括如下步骤 (1)建立凝固_冷却_打箱_切除浇注系统_热处理的整合热应力模型，利用此模型可视化地再现复杂铸件在各个工序的热应力和变形的情况，并且得到机加工前铸件的最终几何形状。 铸件在各个热工序中经历的物理冶金过程不同，铸造过程中主要包含了流动、凝固、固态相变过程；打箱过程涉及到应力释放和打箱后冷却时的固态相变过程；切除浇冒口系统涉及局部相变和应力重新分配过程；热处理过程主要包含了固态相变过程，因此在整合的热应力模型中根据各阶段不同的特征采用不同的计算模型对其进行计算。 本专利技术基于Procast铸造软件，在凝固过程中使用粘_弹_塑性模型处理铸件材料，合理设置铸造过程的边界条件，模拟铸件在铸造过程中的应力和应变情况，材料的固态相变过程通过将材料的热物性参数设置成温度和冷速的函数来实现；当铸件冷却到打箱温度时，修改铸件的温度边界条件和约束边界条件，提取铸造模拟结束时各节点的温度、应3力、应变值作为初始条件，通过修改边界条件模拟铸件打箱过程。其中的应力释放过程通过 更改约束后，模型内各点应力重新调整平衡各点处的应力应变过程来实现。打箱后的冷却 过程材料模型和铸造过程相同；切除浇冒口系统过程的模拟，首先提取打箱冷却后各节点 的温度、应力、应变数值，通过设置浇冒口区域节点的热循环来实现模拟打箱过程；热处理 过程的初始条件来自于切除浇冒口系统后铸件各节点处的温度、应力、应变值，采用弹_塑 性模型处理材料，通过设置界面换热的方式来模拟热处理炉内加热和冷却过程，界面换热 系数通过实际温度测量逆运算得到。 上述模拟的平台为Procast有限元软件，本专利技术中铸件的三维模型使用ProE或UG 等通用三维造型软件造型。 同时，对铸件关键点进行实际测量，证明模拟结果的准确性。 (2)在铸件变形模拟结果的基础上，根据铸件各部分的应力水平确定不同区域的 拘束度，进而对不同区域设置不同的反变形松弛系数。拘束度越大的区域应力水平越高，反 变形松弛系数越小，而自由变形区域反变形松弛系数为1。根据反变形松弛系数和变形量 (负的变形矢量)的乘积定量地给出不同区域的反变形量，将反变形量叠加到原始铸件模 型上，形成新的铸件模型。 本专利技术中，采用归一法评价任一节点处的拘束度，具体计算方法为设定所有节点 中应力绝对值最大的节点处的拘束度为l，其余节点处通过该处沿某一坐标轴的正应力值 与该方向上最大应力值之比为该点的拘束度。而反变形系数则由l减去拘束度确定，因此 本专利技术中，每个网格节点处的反变形松弛系数n下式确定 = 1CTcr..,max 式中， ni为任意节点处沿i (i取x， y， z)方向上的松弛系数； Oii为任意节点处沿i(i取x，y，z)方向上的正应力； o为所有节点处沿i (i取x， y， z)方向上的最大正应力； (3)对添加反变形量的铸件模型，再进行铸造、打箱、切割冒口和热处理过程的全流程数值模拟，得到机加工前铸件变形量分布。 比较变形后模型和最终产品设计模型，如果铸件加工余量均匀且处于合理范围内，则根据反变形模型设计铸件模型；否则继续根据反变形模型、变形量和反变形松弛系数，进行下一循环反变形设计与计算模拟，直到铸件的最终几何形状满足加工余量的要求。 本专利技术基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法的机理如下 大型金属铸件热加工过程中由于各部分加热、冷却条件不同，导致铸件在热加工过程中各部分的温度变化有差别，从而引起铸件内部存在热应力和/或相变应力，从而使铸件在热加工过程中存在应力和应变，导致最终得到的铸件和初始铸件模型之间有较大差别。本专利技术是在综合考虑铸件凝固、冷却、打箱、切割浇冒口和热处理整个热加工过程的物理冶金和力学结构的基础上，准确测量材料的热物理性能，使用计算机模拟方法计算铸件在整个热加工过程中的温度场、应力应变场，从而建立起一整套的铸件变形预测模型，并根据铸件实际变形测量数据验证和修正计算模型。本专利技术中每一道热加工工序的初始条件都4是提取前一道工序的结束状态，同时根据实际情况改变传热和约束条件。该方法的运用可以准确考虑前一道工序对后一道工序的影响和作用，综合考虑整个热加工过程对铸件内部应力和变形的积累效果，保证最终准确预测铸件变形。因铸件各部分变形是相互制约的，所以根据各部分受约束的情况设置合理的反变形松弛系数，而后根据负的变形矢量和反变形松弛系数的乘积确定反变形量可以使添加反变形量的铸件模型最终能得到加工余量均匀的铸件。铸件各部分受约束的程度通过该部分的应力水平体现出来，因此使用应力水平来设置反变形松弛系数可以合理准确地确定反变形量的添加。 本专利技术方法具有普适性，可以用于所有铸件的模具设计，尤其适用于大型、形状复杂、精度要求高的铸件。本专利技术具有如下有益效果 1.本专利技术提出一种整体计算铸件整个热加工工序过程的热力耦合计算模型，能准确预测铸件在整个热加工过程的流场、温度场和应力场，对提高铸件合格率、出品率等具有重要意义； 2.本专利技术提出通过计算节点处的应力值水平来设定反变形松弛系数可以有效縮短反变形添加后的计算迭代次数，使计算效率大大提升； 3.本专利技术设计的变形预测和反变形措施，可以有效解决大型水轮机叶片等复杂曲面铸件加工余量不足、不均匀等现象，极大提高生产效率，降低随后的机加工难度，提高产品性能； 4.本专利技术使用预测铸件变形和反变形措施的方式适合实际工业生产，很容易得到工厂认可，并已经在部分厂家得到应用，大大提高我国在大型水轮机叶片等复杂曲面铸件生产上的竞争力。附图说明 图1大型水轮机叶片的几何模型。图中，1进水边；2下环侧；3出水边；4上冠侧。 图2叶片在砂箱中冷却至15(TC时的变形云图；其中，(a)图为下环侧叶片在X方向上的变形；(b)图为上冠侧叶片在Y方向上的变形；(c)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，其特征在于：（１）建立凝固－冷却－打箱－切除浇注系统－热处理的整合热应力模型，利用此模型可视化地再现铸件在各个工序的热应力和变形的情况，得到机加工前铸件的最终几何形状；同时，对铸件关键点进行实际测量，证明模拟结果的准确性；（２）在铸件变形模拟结果的基础上，根据铸件结构特征和不同区域的拘束度，设置反变形松弛系数，对铸件模型坐标增加反变形量；（３）对添加反变形量的铸件模型，再进行铸造、打箱、切割冒口和热处理过程的全流程数值模拟，得到机加工前铸件变形量分布；比较变形后模型和最终产品设计模型，如果铸件加工余量均匀且处于合理范围内，则根据反变形模型设计铸件模型；否则继续根据反变形模型、变形量和反变形松弛系数，进行下一循环反变形设计与计算模拟，直到铸件的最终几何形状满足加工余量的要求，生产出加工余量合适均匀的铸件。

【技术特征摘要】
一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，其特征在于(1)建立凝固-冷却-打箱-切除浇注系统-热处理的整合热应力模型，利用此模型可视化地再现铸件在各个工序的热应力和变形的情况，得到机加工前铸件的最终几何形状；同时，对铸件关键点进行实际测量，证明模拟结果的准确性；(2)在铸件变形模拟结果的基础上，根据铸件结构特征和不同区域的拘束度，设置反变形松弛系数，对铸件模型坐标增加反变形量；(3)对添加反变形量的铸件模型，再进行铸造、打箱、切割冒口和热处理过程的全流程数值模拟，得到机加工前铸件变形量分布；比较变形后模型和最终产品设计模型，如果铸件加工余量均匀且处于合理范围内，则根据反变形模型设计铸件模型；否则继续根据反变形模型、变形量和反变形松弛系数，进行下一循环反变形设计与计算模拟，直到铸...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培，肖纳敏，李殿中，李依依，彭凡，张立文，张瑞雪，马进，刘恒，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，宁夏共享铸钢有限公司，
类型：发明
国别省市：89[中国|沈阳]