PDF《熔模铸造过程数 值模拟》

― ― 精密铸 种铸造及有色合金

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0 5 年第

2 5 卷第

1 1 期 熔模铸造过程数值模拟 ― ― 国外精铸技 术进展述评 (

1 1 ) 陈冰(北京航空航天大学) 摘要20世纪

9 0年代 以来 , 国外一大批商业化铸造过程数值模拟 软件的 出现 , 标志 着此项 技术 已完全 成熟并 进入 实用 化阶段 , 有相当一部分已成功地 用于熔 模铸造 .

其中,o1id(

3 D ) ( 美国) 、 P A S S A G F / 嗍RcA(美国) 、 M A G M A( 德国)、 P A M―C A S T ( 法国) 、 P r o C A S T ( 美国) 等最具代表性 .尤其值得一提 的是 由美 国UES公司开 发的 P r o C A S T和美 国铸 造师协会 ( A me r i c a n F o u n d r y m e n '

s S o c i e t y ) 开发的 A I i d (

3 D) , 它们代表了

2 种不 同类 型的软件 系统 . 关键词 熔模铸造 ;

数值模 拟;

计算机应用 中图分 类号 T G

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9 .

5 ;

T P

3 9

1 .

9 文献标 志码 A 文章编号

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5 )

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4 1 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者 ― ― P r

0 C AS T 早在

1 9

8 5 年,美国UESSoftwareCo.便以工程工作 站/ U n i x 为开发平 台, 着手开发 P r o C A S T E

1 J .为了保 证 模拟结果 的准 确性 , P r o C A S T一 开始就采 用有 限元 法(FEM)作为模拟 的核心技术. 自1987年起 , 开发用 于 熔模铸造( 精铸) 的专业模块.1

9 9 0年后, 位于瑞士洛 桑的 C a l c o m S A和瑞士联邦科技研究院也参加 P r o C A S T 部分模块 的开发工作 .2

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2 年,UESSof t wa r e 和CalcomSA先后加盟 E S I 集团( 法国) .通过联合 , E S I 集团在虚 拟制造领域的领先地位进一步增强 . 现在 , P r o C A S T也有微机/ Wi n d o w s 或Wi n d o w s N T版本.三维几何造 型模块支 持IGES、STEP、STL或 P a r a . s o l i d s 等标准的 C A D文件格式.Me s h c a s t 模块能 自动生 成有 限元 网格 .它的凝固分析模块可 以准确计算和显 示合金液在凝 固过程 的温度场 、 凝固时间以及 固相率变 化,同时, 从孤立液相 区、 缩;

f L / 缩松体积分数 、 缩;

f L / 缩松Nyiama( 新山英辅 ) 判据等 3方面 , 帮助铸造工程师 分析判断缩;

f L / 缩 松产生 的可 能性 和具体 位置 ( 见图1)E2J.针对熔模铸造热壳 浇注 的特点 , P r o C A S T传热分 析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝 固过程的影响 , 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别 收稿 日期;

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7 第一作者简介 : 陈冰, 男,1938年出生, 教授 , 北京航空航天大学 , 通讯 地址 : 北京航 空航天 大学 院内803楼1403室 , 北京 (

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8 3 ) , 电话 :

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3 5 , E― ma i l : e h e n h S

0 3 @ v . c o r n . e n

7 涂撒混合粘结剂浆砂陶瓷型铸造工艺 的优 点7.1混合粘结剂稳定性好 . 便于组织生产 硅酸乙酯水基粘结剂即使是冬天 , 也只能存放

2 d 左右 , 夏天更短, 一般只能现配现用 , 组织生产较为麻 烦.而制备的混合粘结剂性能稳定 , 即使是夏天也能存 放l周以上 , 冬天更长 , 因此便于组织生产, 有利于生产 效率的提高.

7 .

2 工艺更简便. 更利于推广应用 由于混合粘结剂存放时间长 , 可制备 l 周的用量. 这与硅酸乙酯水基粘结剂现配现用 比较 , 大大节省配料 时间, 而且使用方便.特别是将涂敷浆砂造型改成涂撒 浆砂造型意义更大. 涂敷 和 涂撒 虽说是一字之差 , 但两者的操作有难易之分.前者需用两人同时操作 , 这 两人要求配合默契, 操作要 求高, 需要具有一定技术素 质的人员操作 ;

后者是一人先涂刷浆料 , 另一人撒砂 , 操 作要求不高 , 更有利于推广应用.

7 .

3 陶瓷薄壳强度提高 采用混合粘结剂配料制造 的陶瓷簿壳 , 无论是从手 感还是经过喷烧和浇注实践验证 , 都证明型壳强度比原 来 的高, 有利于精铸件质量 的提高.

7 .

4 生产成本降低 制造的陶瓷薄壳厚度通常为

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4 m l n , 耗用 的贵重 材料并不多 , 但硅酸 乙酯价格昂贵.改用混合粘结剂 , 通过成本核算 , 只 占硅酸 乙酯水基 粘结剂成本 的1/2,所以采用涂撒混合粘结剂浆砂 陶瓷型工艺生产成本 降低.参考文献l罗守信 , 胡本炎 , 陆仲生等 . 武汉

2 1 t 千年吉祥钟的造型实践―― 涂敷 浆砂陶瓷型新工艺 . 特种铸造及有色合金 ,

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3 ) :

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2 罗守信 , 盛玉海 , 刘佑 年. 混合粘结剂一 水玻复合型壳精密铸造新 工艺 . 特种铸造及 有色合金 ,

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0 5 ,

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1 0 ) :

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2 ( 编辑: 张振斌 )

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3 维普资讯 http://www.cqvip.com 种铸造及有色合金

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0 5 年第

2 5 卷第 l l 期 重要 .例如 , 对不锈钢人体植人物 的凝 固过程进行模拟 时,发现位于模组中部的铸件 由于接收到的辐射热 比周 边铸件多 , 因而温度偏高 , 不利于铸件顺序凝固 , 容易产 生缩孔 、 缩松[ .特别值得一 提 的是 , P m C A S T特有 的(a)孤立液相 区 辐射分析模块 , 计及辐射线入射角和遮挡 物的影响( 见图2),模拟对象一旦 因相互运动导致辐射线入射 角改 变或产生遮挡 , 该软件将重新 自动进行计算 , 特别适用 于定向凝固和单晶铸造 . F 嘧u4mp 日ra啪0Ir,崎舶d 口――一(b)缩孔/ 缩松 体积分数 ( c )N y i m ( 新山英辅 ) 判据 图1ProCAST缩孔/ 缩松判据 图2热辐射对模 组温度场的影响 自1992年起 , P r o C A S T的流动分析模块便 能通过 N a v i e r - s t o c k s 流动方程进行 流场计算 , 同时与传热过程 耦合( 见图

3 ) [ .不仅模拟金属液 的充型过程 和状态 , 同时还将温度场变化显示出来 , 预测冷隔和浇不到等铸 造缺陷( 见图4 ) E

2 ] .此外 , 它还可 以模拟流体通过多孔 介质( 例如陶瓷过滤器) 的流动状态 , 预测放置过滤器后 可能 出现 的倒流 、 噎流等现象 ( 见图5).此外 , 流 动分 析模块 中, 可以对诸如精铸模料在内的非牛顿流体的充 型行为进行模拟 , 是该软件的又一特色( 见图

6 ) E . 图3流场与温度场 图4浇不足缺 陷预 测 耦合计算 一图5由于过 滤器 图6 空心叶片蜡模 充型过程模拟 使 用不 当造成噎流 结果( 左) 与试验结果( 右)比较 图 7为 P r o C A S T新近发布的对整铸 涡轮残 留应力 模拟( 见图

7 a ) 和裂纹预测结果 ( 见图

7 b ) _

3 J . P r o C A S T

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0 4公布的对 铝. 镁 合金 晶间疏松 _

4 J 、 整 铸涡轮铸造晶粒结构模拟( 见图8)3, 和空心单 晶叶片 晶体生长过程的模拟结果( 见图9)_3J,标志着该软件 已 经将铸造晶粒组织和微观结构模拟提升到一个新水平.

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4 ( a )残 留应 力模拟 ( b )裂纹预测 图7整铸涡轮残 留应 力模拟和裂纹预测 图8整铸 涡轮铸 造 晶粒 结 构模 拟图9单晶铸造 空心叶 片单晶生 长过程模拟

2 充型. 凝 固过 程模 拟和浇道 优化设计一步完成L

5 A F S o l i d的开发始于

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8 5年, 它最初是 以微机/ D O S 为平台的

1 套二维 系统 ,

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9 3年后升级 为三维 .三维 几何造型模块支持 A u t o C A D以及 I G E S 、 S T L和DXF等 几何图形文件格式 .计算方法采用有限差分法, 流动和 传热计算进行 了适 当的简化处理 , 可以说是一种简化版 的模拟软件 , 适用于包括砂 型、熔模 、 金属型 、 压力铸造 等在内的多种铸造方法.其 功能虽不能和 P r o C A S T等 高档软件相提并论 , 但价格便宜 , 目前在全球

4 0多个国 家拥有

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0 多家用户 , 其销售量号称世界之最 , 用户大 多为生产商业铸件 的中小型精铸厂.近来 , 美国 F i n i t e S o l u t i o n s C o . 与美 国铸 造师协会 合作 , 将 多变量 优化运 ~ 一 维普资讯 http://www.cqvip.com 模铸造过程数值模拟――国外精铸技术进展述评 (

1 1 ) 陈冰算软件链接到 A F S Ol i d 凝 固模拟软件 中, 使凝 固过程模 拟与工艺优化一步完成 , 计算机模拟的效率大为提高. 众所周知 , 仅仅通过

1 次模拟 , 其结果往往很难令 人满意 , 所以工程技术人员就必须根据 自身的经验和知 识对首次模拟结果进行分析 , 修改工艺方案和设计 , 再 进行下一次模拟, 经过反 复多次模拟和修 改, 最终才能 获得满意的工艺方案或参数.可见 , 这种方法其实是用 计算机试错法来代替生产现场 的试错 法.当然效率 明 显提高 , 也降低了成本 .但是 , 计算机反复试错 , 也需要 耗费较多 的机时.针 对这一问题 , 美国FiniteSolutionsco.提出将多变量优化运算软件链接到 A F S Ol i d 凝 固模 拟软件中, 进行二次开发 , 使模拟与优化一步完成, 从而 使计算机模拟 的效率大为提高. 目前 已经有不少现成 的商业 软件可用来进 行工程........