計(jì)算機(jī)模擬在鑄造過程及工藝優(yōu)化中應(yīng)用探究

張金棟 民權(quán)縣教師進(jìn)修學(xué)校

引言

鑄造行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要作用。同時(shí)，鑄造行業(yè)又是產(chǎn)品質(zhì)量不易保證、廢品率較高的產(chǎn)業(yè)，因此，對鑄件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化控制，確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低鑄件成本，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，對于促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，但是直到20 世紀(jì)80 年代，才開始實(shí)現(xiàn)模擬軟件、計(jì)算機(jī)硬件和人力資源的完美結(jié)合，工業(yè)上以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的模擬才奸始普遍應(yīng)用。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，造CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))，鑄件凝固過程CAE、(計(jì)算機(jī)軸功分析)等多項(xiàng)技術(shù)大量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。目前，具有一定規(guī)模的鑄造企業(yè)在生產(chǎn)中均采用凝固模擬分析技術(shù)，精確地預(yù)測缺陷和提高鑄件的工藝出品率。計(jì)算機(jī)模擬已發(fā)展為鑄造過程最具潛力的模擬預(yù)測具，已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，成為鑄造行業(yè)發(fā)展不可缺少的環(huán)節(jié)。

一、鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬的內(nèi)容和意義

為了生產(chǎn)出合格的鑄件，就要對影響其形成的因素進(jìn)行有控制。鑄件的形成經(jīng)歷了充型和凝固兩個(gè)階段，宏觀上主要涉及到流動(dòng)、冷卻和收縮3 種物理現(xiàn)象。在充型過程中，流場、溫度場和濃度場同時(shí)變化；凝固時(shí)伴隨著溫度場變化的同時(shí)存在著枝晶間對流和收縮等現(xiàn)象；收縮則導(dǎo)致應(yīng)力場的變化。與流動(dòng)相關(guān)的鑄造缺陷主要有：澆不足、冷隔、氣孔、夾渣；充型中形成的溫度場分布直接關(guān)系到后續(xù)的凝固冷卻過程；充型中形成的濃度場分布與后續(xù)的冷卻凝固形成的偏析和組織不均勻有關(guān)。凝固過程的溫度場變化及收縮是導(dǎo)致縮孔縮松的主要原因，枝晶間對流和枝晶收縮是微觀縮松的直接原因。熱裂冷裂的形成歸因于應(yīng)力場的變化。可見，客觀地反映不同階段的場的變化，并加以有效的控制，是獲得合格鑄件的充要條件。

二、鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬的原理

鑄造過程計(jì)算模擬技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對鑄件成型系統(tǒng)（包括鑄件—型芯—鑄型等）進(jìn)行幾何上的有限離散，在物理模型的支持下，通過數(shù)值計(jì)算來分析鑄造過程有關(guān)物理場的變化特點(diǎn)，并結(jié)合有關(guān)鑄造缺陷的形成判據(jù)來預(yù)測鑄件質(zhì)量。鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬的一般步驟是：(1)匯集給定問題的單值性條件，即研究對象的幾何條件、物理?xiàng)l件、初始條件和邊界條件等；(2)將物理過程所涉及的區(qū)域在空間上和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理；(3)建立內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(或單元)和邊界節(jié)點(diǎn)(或單元)的數(shù)值方程；(4)選用適當(dāng)?shù)臄?shù)值計(jì)算方法求解線性代數(shù)方程組；(5)編程計(jì)算。其中，核心部分是數(shù)值方程的建立。根據(jù)建立數(shù)值方程的方法不同，又分為多種數(shù)值計(jì)算方法。鑄造過程采用的主要數(shù)值計(jì)算方法有：有限差分法(FDM)、直接差分法(DFDM)、控制體積法(VEMI)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)和格子氣法(Lattice Gas Automation)無論采用哪種數(shù)值計(jì)算方法，鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬軟件都包括3 個(gè)部分：前處理、中間計(jì)算和后處理。其中，前處理部分主要為數(shù)值模擬提供鑄件和鑄型的幾何信息、鑄件及造型材料的性能參數(shù)信息和有關(guān)鑄造工藝信息。中間計(jì)算部分主要根據(jù)鑄造過程涉及的物理場為數(shù)值計(jì)算提供計(jì)算模型，并根據(jù)鑄件質(zhì)量或缺陷與物理場的關(guān)系(判據(jù))預(yù)測鑄件質(zhì)量。后處理部分的主要功能是將數(shù)值計(jì)算所獲得的大量數(shù)值以各種直觀的圖形形式顯示出來。

三、目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在鑄造過程的應(yīng)用范圍

1.充型凝固模擬

已經(jīng)研究許多算法，如并行算法、三維有限元法、三維有限差分法、數(shù)值法與解析法等，主要以砂型鑄造、壓力鑄造的充型模擬為主，其發(fā)展趨勢是輔助設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。

2.縮孔縮松預(yù)測

鋼鑄件的縮松判據(jù)可采用C/R2，是將其由二維擴(kuò)展到三維進(jìn)行縮松形成的模擬，對于同時(shí)存在多個(gè)補(bǔ)縮通道的鑄件，則采用多熱節(jié)法進(jìn)行縮孔、縮松的預(yù)測。

3.凝固過程應(yīng)力模擬

主要針對鑄件殘余應(yīng)力和殘余變形進(jìn)行模擬，而液固共存時(shí)應(yīng)力場數(shù)值模擬是應(yīng)力場數(shù)值模擬的核心，許多鑄造缺陷如縮松、縮孔、熱裂等都發(fā)生在此階段。國內(nèi)外不少數(shù)值模擬軟件具有應(yīng)力分析的功能。

4.凝固過程微觀組織模擬

微觀組織模擬是一個(gè)復(fù)雜的過程，比凝固和充型過程模擬具有更大的困難。近年來各種微觀組織模擬方法紛紛出現(xiàn)、已成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。這些方法雖能在一定程度上比較準(zhǔn)確地模擬合金的凝固組織，但由于實(shí)際的凝固過程比較復(fù)雜，這些方法都作了很多假設(shè)，因此離實(shí)際的鑄件凝固組織模擬還有一定距離。目前主要的模擬方法有確定性模擬、隨機(jī)性模擬、相場方法、介觀尺度模擬方法等。場相法是研究直接微觀模擬的熱點(diǎn)，主要的模擬模型有三種： Monte Carlo(MC)方法元胞自動(dòng)機(jī)模型、相場模型。

四、目前計(jì)算機(jī)模擬鑄造過程的軟件種類

目前計(jì)算機(jī)模擬鑄造過程的軟件應(yīng)用，主要是國外的軟件占主要地位并且代表了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的最高水平，這些軟件基本可以模擬常用的砂型、金屬型和壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造的造過程。常用的國外軟件有德國的 MAGMA Soft，芬蘭的Cat—CAE.美國的 ProCAST 和Flow-3D 等。國外鑄造過程模擬軟件雖然各有特點(diǎn)，各有側(cè)重，但基本都可以完成充型模擬、凝固分析、殘余應(yīng)力和變形分析，也能對鑄件缺陷和性能預(yù)測等內(nèi)容進(jìn)行分析， MAGMA Soft和 PRO—CAST 則可以進(jìn)行鑄件的顯微組織分析。國內(nèi)清華大學(xué)的FT-Star、華中科技大學(xué)的華鑄CAE、北方恒利科技發(fā)展有限公司的CASTsoft 等軟件，不僅能夠有效地預(yù)測鑄件鎖孔類缺陷，其準(zhǔn)確性基本上達(dá)到了定量的程度，為鑄造工藝的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論基礎(chǔ)和實(shí)用參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)化走向科學(xué)化。

鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬軟件，集鑄造過程仿真、鑄造缺陷預(yù)測及結(jié)果顯示為一體。實(shí)現(xiàn)對鑄件中的充型流態(tài)、凝固過程溫度場模擬和缺陷預(yù)測，從而對鑄造過程中所涉及的工藝參數(shù)和工藝方案做出評(píng)價(jià)，達(dá)到大幅度縮短工藝定型周期、降低廢品辛的目的。

五、計(jì)算機(jī)模擬在鑄造過程中所達(dá)成效

首先、可以達(dá)到鑄造工藝及鑄造材料的最佳化選擇；其次、進(jìn)行生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)；三、可以建立多種工藝類型；四、能夠開發(fā)澆鑄系統(tǒng)和補(bǔ)縮；五、可以最佳化澆冒口尺寸及位置；六、進(jìn)行質(zhì)量、理學(xué)性能的預(yù)測；七、可以減少殘余應(yīng)力及扭曲變形發(fā)生；八、可以進(jìn)行模具的熱平衡計(jì)算和設(shè)計(jì)；九、能夠完善和管理鑄造工程檔案。

總之，利用計(jì)算機(jī)模擬鑄造過程的軟件，可以模擬鑄造件充型和凝固過程中溫度場、流動(dòng)場、壓力場、應(yīng)力場的變化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝，保證和提高鑄件質(zhì)量。