当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

铸件充型凝固过程数值模拟发展现状


·84 ·







FOUNDRY



专题综述

铸件充型凝固过程数值模拟发展现状
孙 1 ,2 , 安阁英1 , 苏仕方2 , 王君卿2 逊

r />( 11 哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 , 哈尔滨 150001 ; 21 沈阳铸造研究所 , 沈阳 110021)

摘要 : 铸件内在质量很大程度上取决于铸件的充型和凝固过程 .将计算流体力学 ,计算传热传质学和计算机可视化技

术应用于铸造工艺设计 , 可以使铸造技术人员更清楚地了解铸件形成过程 , 快捷地确定较为合理的铸造工艺参数 .本 文对铸件充型和凝固过程的数学模型 ,计算方法及商品化软件方面的发展现状进行了综合评述 , 并展望了该领域的发 展前景 .

近年来 , 随着计算机技术 ,数值模拟技术 ,计算 力学和计算传热传质学的迅速发展 , 工业发达国家非 常注意将最新的三传 ( 传热 ,传质和动量传输) 理论 应用于工程设计 , 铸造领域也不例外 .从 60 年代开 始凝固过程数值模拟 , 80 年代初开始充型过程数值 模拟和铸件应力应变数值模拟 , 到 90 年代兴起铸件 微观组织数值模拟的研究 , 数值模拟技术已渗入到铸 件形成过程的各个方面 , CAD/ CA E/ CAM/ CIMS 技 术 ,并行技术 ( Current Technology) ,快速原型制作 技术 ( Rapid Protot ype Manufact uring) 等高新技术不 断被采用和集成 , 使铸件从设计到完成制作的周期越 来越短 . 铸件充型凝固过程数值模拟是上述技术实施过程 中的重要环节 , 属于铸造工艺设计的 CA E , 在其发 展过程中 , 相关的商品化软件不断出现〔1~3〕, 但由 于开发成本高 ,价格昂贵及计算精度等方面的原因 , 这些软件在实际生产中的应用并不十分普遍 , 尤其是

收稿日期 : 1999211203 收到初稿 , 1999210222 收到修订稿 . 作者简介 : 孙逊 (1964 - ) , 男 , 山东省蓬莱县人 , 沈阳铸造研究所高级工程师 , 哈尔滨工业大学博士生 , 研究方向为铸造过程计算机辅助设计 .

SUN Xun1 ,2 , AN Ge2ying1 , SU Shi2fang2 , WANG J un2qing2 ( 1. College of Materials science and Engineering , Harbin Institute of Technolo gy , Harbin 150001 , China ; 2. Shenyang Re search Institute of Foundry , Shenyang 110021 , China ) Abstract : Sound ca stings are determined in a great extent by the mold filling and solidification proce sse s of ca stings. Applying the calculation fluid dynamics , the calculation heat and solute transportation and the visual technolo gy of computer to the ca sting de sign , foundry technicians can more clearly understand the forming proce sse s of ca stings , and rapidly decide more rea sonable p arameters of ca sting proce sse s. This p ap er comprehensively discussed the recent development s in the mathematical model , the solution algorithm and the commercial software for the mold filling and solidification proce sse s of ca stings , and foreca sted the development s of this field. Key words : mold filling proce ss ; solidification proce ss ; numerical simulation ; ca sting proce ss ; review

关键词 : 充型过程 ; 凝固过程 ; 数值模拟 ; 铸造工艺 ; 述评 中图分类号 : T G21239 ; TB115 文献标识码 : A 文章编号 : 100124997 ( 2000) 0220083205

Recent Development s in Numerical Siumulation of Mold Filling and Solidification Proce sse s of Ca stings

真正应用在国内铸造厂实际生产中的更是寥寥无几 . 因此 , 开发适合中国国情 ,计算速度较快 ,精度较高 的软件仍然是目前面临的课题之一 . 铸件充型凝固过程数值模拟及缺陷预报技术可在 计算机屏幕上展示铸件充型凝固过程中液态金属自由 表面 ,速度场和温度场的变化 , 结合判据函数预报常 见铸造缺陷 .在工艺实施前对铸件形成过程进行数值 模拟试验 , 可优化或验证所采用的铸造工艺参数 .在 铸件产品开发上 , 数值模拟技术可缩短工艺设计和产 品试制周期 , 显著降低能耗和材料消耗 .深入开展该 领域的研究 ,开发和应用 , 对改变我国铸造业落后面 貌 , 推动铸造生产现代化 , 增强中国铸件产品在世界 市场的竞争能力 , 具有十分重要的意义 .

Vol149 12 No Fe b 2000

1 发展概况

W1 S1 Hwang 首先将二维流体流动计算软件 MAC 用

1983 年 , 美 国 匹 兹 堡 大 学 的 R1A1 Stoehr 和

铸造

孙 逊等 : 铸件充型凝固过程数值模拟发展现状

·85 ·

于铸件充型过程研究 , 模拟了液态金属流入一矩形水 平型腔和阶梯式垂直型腔的充型过程〔4〕.1988 年 , 5 R1A1 Stoehr 等人又进行了流动与传热的耦合计算〔 〕, W1 S1 Hwang 后来又将 SOLA 与 MAC 结合起来模拟 了试件三维充型凝固过程〔6〕, 并在水力模拟实验验 程模拟 , 预报了铸件充型过程中可能出现的模样材料 卷入金属液内的缺陷〔9〕. 1986 年 , 德 国 亚 琛 大 学 的 P1 R1 Sahm 与 H1 Walte 也模拟了上述同一种滑轮的充型过程 , 只是 改变了流体的入口方位〔10〕.同年 , 美国 Argonne 国 家实验室的 H1M1Domanus 等人模拟了一个简单形状 铸件的三维流动和传热过程 , 计算中应用了 Patankar 的方法和 VOF 法〔11〕. 1987 年 , 在丹麦科技大学的中国访问学者王君 模拟了压铸件的充填过程〔16〕. 1993 年在美国召开的第六届铸造 ,焊接和凝固 过程模拟会议上 , 有十几篇文章介绍了在充型凝固过 程数值模拟技术研究方面的进展情况〔17〕, 主要内容 包括 : 日本东北大学的新山英辅和安斋浩一提出了一

证和压力迭 代 不 收 敛 问 题 的 处 理 上 作 了 较 多 的 工 7 作〔 〕. 1985 年 , 匹 兹 堡 大 学 的 C1M1 Wang 将 SOLA2 VOF 软件加以改进 , 计算了一个三爪滑轮的二维充 8 型过程 , 计算结果与高速摄影实验结果基本一致〔 〕.
1993 年 , 又将该项技术用于消失模铸件充型凝固过

卿将二维 SOLA2VOF 发展成三维计算程序 , 并加入 三维传热计算 , 模拟了一个铸铁三通管的三维充型凝 固过程 , 与实验取得了基本一致的结果 .研究还对比 了二 维 SMAC ,SOLA ,SOLA2VOF 及 SIM PL E 软 件 , 结果表明 SOLA2VOF 在计算速度上优于其他三 球墨铸铁件的充型凝固过程 , 并对 VOF 法作了适当

种软件 , 而计算精度并无多大差别〔12〕. 1988 年 , 匹兹堡大学的 H1J 1Lin 和 R1A1 Stoehr 将二维 SOLA2VOF 与传热计算结合 , 预报了扁平铸 件充型时的冷隔情况〔13〕.同年 , 日本东北大学的安 斋浩一等人采用伪三维 SMAC 方法解析了压铸件的

充填过程 , 预测了铝合金压铸件的冷隔缺陷 , 并与水 14 力模拟实验对比 , 验证了充填过程数值模拟结果〔 〕. 1991 年 , 美国的 Shea CHEN 等人改进了二维的 SMAC 算法 , 使其在流体流动计算结果的对称性及流 股交汇面的处理上有较大发展〔15〕.加拿大国家研究 院工业材料所的 C1A1Loong 等人采用三维有限元法 种自适应压力迭代法 , 解决了 SOLA 算法压力迭代 不易收敛的问题 ; 日本大阪大学的大中逸雄等人模拟 了纤维增强复合材料铸件的三维充型和凝固过程 , 模 拟中考虑了多孔介质内的流动及反压影响 ; 比利时 W TCM 铸造中心的 Z1A1 XU 和 F1Mampaey 模拟了

改进 ; 德国 MA GMA 公司的 D1M1Lipinski 等人在充 型模拟中考虑了湍流的影响 , 并在 Multi2flow Trace 7/ 300 计算机上模拟了压铸件的三维充型凝固过程 . 1995 年在英国召开的第七届铸造 ,焊接和凝固 过程模拟会议上 , 英国伯明翰大学的 B1 Sirrell 等人 18 公布了其标准试验 ( The Benchmark Test ) 结果〔 〕, 算 , 以验证各自软件的精确性 .结果表明 , 大部分计 算的充填状态随时间的变化与实验结果接近 , 可以预 报卷入气孔缺陷的形成 , 但无法计算气体在金属液内 的变化过程 , 铸件温度场变化趋势及最后凝固部位的 预报较为准确 , 但对铸件内测温点的具体凝固时间的 因此可以做到在不损失计算精度的前提下 CPU 时间 与传统方法接近 .美国流体科学公司的 C1 W1 Hirt 等 人阐述了其用于消失模铸造 ( L F 或 EPC) 的三维计 算模型和计算方法 , 并将 L F 模型和缺陷预测模型加 入到商业化软件 FLOW23D 中 , 较成功地用在了汽车 分完美 , 但基本上给出了一个合理的液态金属充填型 腔过程 .仅仅用压降去考虑过滤网的作用不太准确 , 还要考虑过滤网对流体前沿的物理阻碍作用产生的喷 溅现象形成的夹杂 , 不同的过滤网形成的喷溅亦不相 同 .在入口处正确的压力和面积边界是很难确定的 , 但这一点对其他的控制条件却是十分重要的 .在两种 计算软件的模拟结果中都有个预测速度过快的问题 , 这大概是由于网格划分 ,模拟精度 ,边界条件和物性 参数等综合因素造成的 .日本大阪大学的 J 1D1 ZHU 等人对充型过程直接差分法计算所用几何信息的处理 方法和压力迭代方法进行了改进 , 大大节省了直接差

试验合金为纯铝 , 铸型材料为树脂砂 , 直浇道设计的 较高以人为地造成湍流充填效果 , 并用 X 射线摄像 技术记录金属液充填状态变化 .有九个研究小组在事 先未知结果的前提下对试件的形成过程进行了模拟计

预报不十分准确 . 1998 年 , 在美国圣地亚哥召开的第八届铸造 , 焊接和先进凝固过程模拟会议上 , 论文内容涉及充型 凝固过程模拟 ,铸件微观组织模拟及铸件应力应变模 19 拟〔 〕.在充型凝固过程模拟方面 , 日本大阪大学的 大中逸雄提出了一种采用非结构化和非正交网格单元 的直接差分新方法 , 能够克服充型模拟中采用矩形六 面体单元造成的边界上的计算误差 , 尽管在相同计算 单元数的情况下 , 直接差分法的计算时间是传统计算 方法的 2 ~ 3 倍 , 但由于所用计算单元数大大减少 ,

铸件上 .伯明翰大学的 M1 R1Jolly 等人对传统方法设 计的灰铸铁凸轮轴的浇注系统进行了研究 , 认为铸件 内的气孔和夹杂主要是由于浇注系统内流体的过分湍 流造成的 , 文中用 X 射线数据和两个软件包 MA G2 MASoft 和 Flow23D 对上述问题进行研究 , 结果表明 , 与试验结果相比 , 两种模拟软件的模拟结果尽管不十

Fe b 2000 ·86 ·

FOUNDRY

分法的 CPU 时间 , 计算精度却没有多大降低 .实用 结果表明 , 这种快速和实用的算法可用于大规模充型 凝固过程计算 , 所花 CPU 时间比一些商业软件显著 缩短 , 模拟结果与试验结果吻合良好 . 国内在该项研究上基本上可以跟踪世界先进水 平 , 在数学模型的选择 ,数值计算方法的改进及实际 生产应用等方面已取得许多研究成果〔12 ,20~26〕, 但在 软件开发和实际应用方面与发达国家相比还有较大的 差距 , 在某些方面 , 例如用有限元法计算铸件二维充 型凝固过程及物性参数和传热边界条件占有量等方 面 , 还缺乏相关的研究 .

12 具体形式请参见有关文献〔 〕.如果考虑湍流问题 , 还须引入工程湍流模式 .

3 数值模拟方法

2 数学模型问题
铸件充型凝固过程与液态金属的流动,传热和传 质过程关系密切 .充型过程是高温金属液在复杂几何 型腔内的流动及向环境的传热过程 ; 随后的凝固过程 伴随着自然对流 , 多孔介质内流动 , 金属液内溶质的 对流扩散 , 金属液体或固体向铸型和大气的传热 , 已 凝固金属的收缩 ,变形 ,应力变化及金属相变等物理 现象 .描述如此复杂的物理过程所采用的数学模型是 随着计算传热传质学 ,计算流体力学 ,计算机软件和 硬件技术及铸件形成理论的不断进步而逐渐完善和发 展的 .在铸件形成数值模拟技术发展过程中 , 60 年 代至 80 年代初 , 只采用能量守恒方程描述铸件凝固 过程 ; 80 年代初开始用二维质量守恒方程和动量守 恒方程模拟铸件二维充型过程 , 用粒子法跟踪液体自 由表面 , 其实质是解决带自由表面的二维层流流动计 算问题 ; 80 年代中后期 , 开始将质量守恒方程 ,动 量守恒方程 ,体积函数方程和能量守恒方程联立起来 近似模拟铸件充型凝固过程 , 计算金属液三维速度场 和温度场变化 , 并考虑了湍流对能量和动量传输的影 响 ; 90 年代后 , 为使该项技术实用化 , 专家们在数 值算法和计算结果的前处理和后处理技术方面作了大 量工作 , 开发了一些实用的商业化软件 .目前采用的 铸件充型凝固过程控制方程的张量形式见式 ( 1) . Φ 5 (ρ ) / 5 T + 5 (ρ jΦ) / 5 x j = 5 ( DΦ5Φ) / 5 x j + SΦ (1) u ρ — 液态金属密度 式中 —— Φ —当 —— Φ 取为 1 , u i , T 和 F/ ρ时 , 分别代 表连续性方程 ,动量方程 ,能量方程和 体积函数方程 u j —— — 速度分量 x j —— — 坐标分量 F —— — 体积函数 , 物理意义为单元流体体积与 单元总体积之比 , 0 ≤F ≤ 1 DΦ —— — 广义扩散系数 SΦ —— — 源项 广义扩散系数 DΦ ,源项 SΦ 及体积函数方程的

LA2VOF 软件对动量方程的处理方法类似于有限差分

目前见诸于文献的充型凝固过程数值模拟方法主 要为有限元法 , 直接差分法 , 控制容积法 ( 又称有限 体积法) 和有限差分法 .由于计算方法方面的原因 , 有限元法长期以来在流体力学领域中应用并不广泛 , 但近年来很多专家致力于这方面的研究 , 并出现了商 品化软件 , 如美国的 PROCAST ; 直接差分法综合了 有限元法拟合边界形状真实和有限差分法计算简便的 优点 , 在日本获得了广泛应用 , 但与有限差分法相 比 , 其计算占用内存过大 , 计算速度较慢 ; 控制容积 法和有限差分法是采用较多的铸件充型凝固过程数值 模拟方法 , 根据对 N2S 方程处理方法的不同 , 又分 为涡量 - 流函数法 ,原始变量法和分步法 . 涡量 - 流函数法以流函数 ,涡量为待求变量 , 避 免了求解压力项 , 可以不采用交错网格 , 也不必设计 类似于 SIM PL E 的算法 , 程序设计比原始变量法简 单 , 但其缺点是对壁上涡量的确定具有一定任意性 , 随着计算的进行易引起壁上涡量值迭代发散 .早期的
SMAC 采用了这一算法 . MAC 属于有限差分法中的原始变量法 , 由于采

用隐式格式 , 迭代次数较多 , 并设置了大量示踪粒子 跟踪自由表面 , 增加了存储量 , 因此计算效率较低 ; SIM PL E 及其改进算法 SIM PL ER 和 SIM PL EC 等属

于控制容积法中的原始变量法 , 近二三十年来广泛用 于计算流体力学领域 , 且较成功地用于湍流流动计 算 , 算法本身用于定域计算 , 对于充型过程模拟 , 还 必须结合自由表面处理方法 . 目前国内外在充型过程计算中普遍采用的 SO2 法中的分步法 .分步法的突出优点是将复杂的偏微分 方程逐项分裂为简单的偏微分方程甚至常微分方程 , 对分裂所得的简单方程可分别选取最适宜的方法求 解 , 编程较原始变量法简单 , 压力迭代收敛也铰 12 快〔 〕.

Vol149 12 No

4 流体自由表面处理

液/ 气界面的变化在确定铸件最后特性方面起着 非常重要的作用 , 尤其是对形状较复杂 ,冷却速度较

快的薄壁或壁厚不均的铸件更是如此 .液/ 气界面的 变化速度对铸件力学性能的影响也不容忽视 , 有实验 27 表明〔 〕, 对于铝合金铸件 , 自由表面速度小于 013 ~015m/ s 时 , 铸件力学性能将提高 20 %以上 ; 速度 过快时 , 流体前沿的湍流效应将加剧液体金属的氧 化 , 导致铸件力学性能的降低 .

铸造

孙 逊等 : 铸件充型凝固过程数值模拟发展现状

·87 ·

液体金属自由表面的变化属于界面动力学范畴 , 是铸件充型过程模拟计算中较难处理的一个问题 .目 前的算法较多 , 但各有优劣 . 由复杂拓扑界面界定的 ,多相互不相溶界面的流 动 , 是自然界和工程中的普遍问题 , 铸件充型过程就 是一个典型的界面流动实例 .充型过程在宏观上涉及 到四种互不相溶 "流体" 铸型介质 ,型腔介质 ,液 : 体金属和凝固金属 .在铸件充型过程凝固模拟中 , 主 要是通过离散相应的控制方程达到求解的目的 .忽略 胀箱等引起的细微尺寸变化 , 可假定铸型及充型结束 前出现的凝固金属为静态 .充型过程中由于液/ 气界 面经历了非规则和动态的交叠 ,撕裂等物理过程 , 因 此模拟方法较为复杂 , 但又是必不可少的 . 目前文献中出现的自由表面处理方法 , 大致可归 为两类〔28〕: 一类是跟踪法 ( Tracking Met hods) , 包 括移动网格法 ( Moving2Mesh) ,前沿跟踪法 ( Front 2 Tracking) ,边界积分法 ( Boundary Integral ) 和粒子 法 ( Particle Scheme ) ; 另一类是归零法 ( Capt uring Met hods) , 包括体积跟踪法 ( Volume Tracking) ,连 续对 流 法 ( Continuum Convection ) ,平 面 定 位 法
(Level Set ) 和相场法 ( Phase Field) .

跟踪法的本质是拉格朗日法 , 界面上离散点 x i 的位置变化是在整个计算时间中对方程 ( 2 ) 进行积 分得到的 . ( 2) d x i/ d t = V i

式中 V i —— — 界面上点 x i 的移动速度 在归零法中 , 界面不是被显式跟踪的 , 而是通过 特征函数 C 去 "捕获" C 是一个不小于 0 的不连续 , 海氏 ( Heaviside) 函数.对于两相流 , C 的取值如下 :
C1 对流体 1 C2 对流体 2
C = ( 3)

软件名称

MA GMASoft PROCAST SIMULOR SOL STAR

NOVACAST CALCOMP

RAPID/ CAST PHO EN ICS FIDAP710

SOL IDA

AFSolid L S2D YNA3D CAPS23D

FLOW23D

C 3 C1 < C 3 < C2 在界面上
开发商

1 表1 目前世界上主要铸造 CAE 软件对比〔 ~3 ,19〕

〔 Table 1 Comparisons of the main foundry CAE soft ware all over the world 1~3 ,19〕

算法

美国/ 流体科学公司 FVM/ FDM 德园/ 亚琛大学 FDM/ FEM 美国/ U ES 公司 FEM 法国/ Pechiney 铝业 FVM 英国/ FOSECO 公司 FVM ,模数法 瑞典/ NovacastAB 公司和 Udmurth 大学 FDM ,模数法 瑞士 FEM 美国/ 并行技术公司 FDM 英国/ 帝国理工学院 FVM 美国 FEM 日木/ 小松制作所 DFDM 美国/ 铸造协会 FDM 英国/ 计算与工程应用公司 FEM 英国/ Argonne 实验室 FVM

流动与传热 流动与传热 , , 应力 微观组织 流动与传热 , , 应力 电磁铸造 流动与传热 传热分析 传热分析 流动与传热 流动与传热 , 微观组织 湍流流动与传热 湍流流动与传热 , 传质 流动与传热 流动与传热 流动与传热 , 应力应变 流动与传热

上述 8 种方法各有短长 , 已用于铸件充型模拟用的有 基于粒子的方法 (particle2in2cell) ,连续对流法 ( Van2 leer 格式) 和体积跟踪法 ( VOF) , 迄今尚不能确定哪 一种更适合铸件充型过程数值模拟 , 应进一步探索能 集中上述方法优点的统一模型.据 Doug K G 等人的 oth 经验 , 体积跟踪法,前沿跟踪法和基于粒子的方法将 被改良和继续应用 , 新的平面定位法和相场方法也表 现出很强的处理流体自由表面的能力.

工艺设计和温度场计算才可在微机上运行.上述软件 在欧美发达国家铸造企业中获得了较广泛的应用 , 取 得了很好的经济效益 , 部分软件已进入中国大型企业 和 科 研 院 所 , 如 MAGMASoft , PROCAST ,NOVA2 CAST 等 , 但价格普遍较高 , 均在几万美元以上 , 加 上对运行软件的硬件要求很高 , 因此目前国内有兴趣 和能力使用上述软件的铸造厂家还不是很多.
分析内容 应用范围 多数铸造工艺 砂型铸件 , 压铸件 , 金属型铸件 连续 , 消失模 , 单晶和流变铸造 砂型件 , 精铸件 , 低压铸件 , 金属型铸件 某些铸造工艺 铸造工艺辅助设计 ,铸件凝固过程 多数铸造工艺 多数铸造工艺 挤压铸造 , 连续铸造 多数铸造工艺 多数铸造工艺 多数铸造工艺 多数铸造工艺 多数铸造工艺

式中假设 C2 > C1 . 可以用拉格朗日不变方程描述 C 的变化 ( 4) d C/ d t = 5 C/ 5 t + V · C = 0 式中 V —— — 界面上的流体速度 自由表面位置可由 C1 < C < C2 区域的变化确定.

5 铸件充型凝固过程模拟软件的发展

近十年来 , 随着铸件充型凝固过程数值模拟技术 的不断完善 , 相应的用于分析铸件形成过程的商品化 软件不断出现.这方面的第一个软件是由德国亚琛大 学 P1R1Sahm 教授主持开发的 MAGMASoft , 1989 年在 德国第七届国际铸造博览会上展出 , 以温度场分析为 主 , 以后又增加了速度场,应力和显微组织分析等内 容 , 在工作站上运行.同时展出的还有英国 FOSECO 公司开发的 Solstar 软件.表 1 是目前世界上主要商品 化软件的名称,开发商,算法和功用.由于计算量庞 大 , 这些软件大部分需在工作站上运行 , 只有简单的

Fe b 2000 ·88 ·

FOUNDRY

网 上 文 献 ( J ensen , Beckermann , and Fisher , 1 1996) 〔 〕 表明 , 美国各种规模的铸造厂已普遍采用凝 固过程模拟 , 美国所有的汽车生产厂家及约 30 %的 铸造企业都在使用凝固模拟软件 , 美国铸造厂家生产 的一半以上的铸件采用凝固模拟程序 , 目前美国市场 上可得到的有关凝固模拟软件有 12 个 . 日本的东北大学和大阪大学在这方面的研究具有 世界先进水平 , 但日本铸造企业在软件的使用上落后 于美国 , 日本全国 1500 家铸造企业中 , 只有 150 家 应用凝固模拟软件优化铸件浇注系统 .象其他国家一 样 , 日本也走发展自己的软件而不是购买欧美国家商 业软件的道路 , 尽管某些大型铸造企业购买了欧洲和 美国的有关软件 , 但主要用于做基准试验 .目前日本 开发的软件主要有 : ① 小松制作所的 SOL IDA , 大约 有 100 家工厂在使用 , 可进行流动和传热计算 , 采用 新山判据 , 无英文版本 : ②日立制作所的 S2CAST , 这是一个较早开发的软件 , 近十年中没有关于其应用 的报告 , 也无英文版本 ; ③ 小松制作所和大阪大学联 合开发的 J S2CAST , 是 SOL IDA 的改进版本 , 能够 接受 CAD 文件 , 易于在小型铸造企业中使用 , 可在 工作站和 PC 机上运行 , 但其没有考虑辐射传热问 题 , 因此不适合在熔模铸造中采用 ; ④ 东北大学开发 的 STEFAN 软件 , 有 30 个工厂给予资金支持 , 其中 一个以上是压铸厂 , 已出售给日立公司一套 , 数值试 验表明 , 在主频 600M Hz 的奔腾 Ⅲ型 PC 机上 , 用 STEFAN 3D 计算含 1 亿个单元的充型过程 , 耗时 4 天. 凝固模拟在英国 ,法国 ,瑞士 ,德国和其他一些 欧洲国家也得到了高度发展 , 德国的 MA GMASoft 已 在世界上许多铸造企业中应用 .法国 Pechiney 公司 的 SIMULOR 因使用方便 , 也已卖给了不少美国厂 家 .欧洲一些大学在这方面的研究进展与美国相当 , 目前已经把目光转向了铸件残余应力预测方面 .

6 展望

作为计算机辅助铸造过程设计和生产的一部分 , 铸件充型凝固过程数值模拟技术会被越来越多的铸造 厂家所采用 , 其应用范围也将进一步扩大而遍及几乎 所有铸造方法和铸造合金 .随着计算机容量的不断增 大 , 需要较大计算量的湍流流动与传热数值模拟 ,铸 件凝固过程发生的温度和溶质驱动的自然对流流动和 传热数值模拟等 , 将会融入数值试验方法中 , 使数值 试验精度得到进一步提高 .铸件微观组织模拟和应力 应变模拟方面也将会从不断完善的充型凝固过程数值 试验中获得较为准确的基础条件 .
参 考 文 献

〔1 〕 M Flemings , et al. Advanced Casting Technologies in Japan and

Europe 〔 EB/ OL 〕 American Foundrymen′s Society , Inc , . http : / / itri. loyola , edu/ casting/ toc. ht m , 1997203/ 19982052 28. 8~11 〔2 〕 L Estrin. A deeper look at casting solidification software 〔 〕 J . Modern Casting , 1994 , 84 (7) : 20~24 〔3 〕 T C Midea , D Schmidt . 1999 Casting simulation software survey 〔 〕 Modern Casting , 1999 , 89 (5) : 47~51 J . 〔4 〕 R A Stoehr , W S Hwang. Modeling t he Flow of Molten Metal Having a Free Surface during Entry into Molds 〔 〕 Edited by J A . Dantzig and H Brody. Proceedings of International Conference on Modeling of Casting and Welding Processes Ⅱ〔 〕 Warrendale , C . PA : The Metallurgical Society of AIM E , 1983. 47~58 〔5 〕 R A Stoehr , C Wang. Coupled heat tranfer and fluid flow in t he filing of castings 〔 〕 AFS Transactions. 1988 : 733~740 J . 〔6 〕 H J Lin , W S Hwang. Three dimensional fluid flow simulation for mold filling 〔 〕 AFS Transactions. 1989 : 855~862 J . 〔7 〕 J L Yeh , S H Jong , W S Hwang. Improved 32D mold filling mod2 el for complex castings and experimental verification 〔 〕 AFS J . Transactions. 1993 : 1055~1061 〔8 〕 C M Wang. Computer Simulation of Fluid Flow during t he Filling of Casting Molds 〔 〕 Pittsburgh , USA : Ph D Thesis , Univer2 D . sity of Pittsburgh , 1985. 6~19 〔9 〕 C M Wang , A J Paul , W W Fincher , O J Huey. Modeling of Mold Filling and Solidification during Evaporative Pattern Casting 〔 〕 Edited by T S Piwonka , V Voller and L Kat German. Pro2 A . ceedings of International Conference on Modeling of Casting , Welding and Advanced Solidification Processes Ⅵ 〔C 〕 Plam . Coast , USA : The Mineral , Metals & Materials Society , 1993. 477~485 〔 〕 Walt her , P R Sahm. A model for t he computer simulation of 10 H liquid metal flow into t he mold 〔 〕 Giesserei Forschung , 1986 : J . 119~124 〔 〕 M Domanus , Y Y Liu , W T Sha. Fluid Flow and Heat Trans2 11 H fer Modeling for Castings 〔 〕 Edited by S Kou and R Mehrabian. A . Proceedings of International Conference on Modeling of Casting and Welding Process Ⅲ〔 〕 Santa Barbara , CA : The Metallurgical C . Society of AIM E. 1986. 361~377 〔 〕 Q Wang. Mold Filling and Temperature Fields 〔 〕 Doctor t he2 12 J D . sis , Technical Universit y of DENMAR K , 1988. 7~56 〔 〕 J Lin , W S Hwang. Combined fluid flow and heat transfer anal2 13 H ysis for t he filling of castings 〔 〕 AFS Transactions , 1988 : 447 J . ~458 〔 〕 14 Koichi ANZAI , et al. Predication of defects in die castings by quasi t hree dimensional flow analyis 〔 〕 Imono , 1988 , 60 ( 12 ) : J . 763~769 〔 〕 Chen , David B Johnson , Peter E Raad. Simulated Filling of 15 Shea Dies wit h Cores 〔 〕 Congress and Exposition NADCA 〔 〕 A . C . Detroit , USA : 1991. 275~279 〔 〕 A Loong , G Salloum , D Frayce. Computer Simulation of Die 16 C Cavity Filling in 32D by t he Finite Element Met hod 〔 〕 Congress A . and Exposition. NADCA 〔 〕 Detroit , USA : 1991. 299~304 C . 〔 〕 S Piwonka , V Voller and L Kat German. 〔 〕 Modeling of 17 T A . Casting , Welding and Advanced Solidification Processes Ⅵ, Pro2 ceedings of International Conference 〔C 〕 Palm Coast , USA : . The Minerals , Metals & Materials Societ y , 1993. 337~492 〔 〕 Cross , J Compbell. 〔 〕 Modeling of Casting , Welding and 18 M A . Advanced Solidification Processes Ⅶ, Proceedings of International Conference 〔C 〕 London : The Minerals , Metals & Materials . Society , 1995. 907~1013 〔 〕 G Thomas , C Beckermann. 〔 〕 Modeling of Casting , Weld2 19 B A . ing and Advanced Solidification Processes Ⅷ, Proceedings of Inter2 national Conference 〔 〕 San Diego , USA : The Minerals , Met2 C . als & Materials Societ y , 1998. 17~132 〔 〕 Q WAng , Koichi ANZAI , Eisuke N I YAMA. Effects of Back 20 J Pressure on t he Filling Lengt h of an Aluminum Alloy in Pressure Casting 〔 〕 Edited by B C L IU and T J IN G. Proceedings of 3rd A . Pacific Rim International Conference on Modeling of Casting and Solidification Processes 〔 〕 Beijing , China : 1996. 178~185 C . 〔 〕 C L IU . Progress in solidification modeling of cast iron in China 21 B 〔 〕 Cast Metals Research , 1999 , (11) : 259~266 J . 〔 〕 22 常庆明 . 大型薄壁铸件三维充型及传热的数值模拟 〔 〕 哈尔 D . 滨工业大学博士学位论文 . 1994 〔 〕 23 孙晓波 . 铸件充型和凝固过程数值模拟及实用软件研究 〔 〕 D . 哈尔滨工业大学博士学位论文 . 1996

Vol149 12 No

曲轴是汽车发动机的关键部件之一 , 其性能的好 坏直接影响汽车寿命 .曲轴在发动机中承受着大负荷 和不断变化的弯矩及扭矩作用 .其常见的失效形式为 弯曲疲劳断裂及轴颈磨损 .因此 , 要求曲轴材质具有 较高的刚性和疲劳强度以及良好的耐磨性能 .随着球 墨铸铁的发展 ,性能的不断提高 , 球铁已成为取代锻 钢制造曲轴的首选材料 .

1 球铁材质在曲轴生产中的应用

国内外常用的曲轴材质分为两大类 , 锻钢和球 铁 .随著球铁合金化及等温淬火球铁 ( AD I 球铁) 的

〔 〕 24 蔡临宁 , 杨秉俭 , 苏俊义 . 充填过程数值模拟技术的现状和发 展 〔 〕 铸造技术 , 1996 , (3) : 30~34 J . 〔 〕 25 杨秉俭 , 蔡临宁 , 苏俊义 . 连铸结晶器中三维紊流场的层流等 效模型 〔 〕 西安交通大学学报 , 1996 , 30 (4) : 79~85 J . 〔 〕 26 吴士平 . 厚大断面球铁铸件凝固过程三传三维数值模拟及缩孔 缩松预测的研究 〔 〕 华中理工大学博士学位文 . 1998 D . 〔 〕 Barkhudarov , K Williams. Simulation of surface turbulence flu2 27 M id phenomena during mold filling 〔 〕 AFS Tranactions , 1995 : J .

收稿日期 : 1999211218 收到初稿 , 1999212218 收到修订稿 . 作者简介 : 刘耀辉 (1955 - ) , 男 , 吉林大安县人 , 教授 , 博导 , 1993 年赴日在早稻田大学理工学部材料工学科被聘为客座研究员 , 主要从事金 属基复合材料成型技术及控制的研究 .现任吉林工业大学继续教育学院院长 .
669~674 〔 〕 28 Doug Kot he , et al. Numerical Recipes for Mold Filling Simulation 〔 〕 Edited by B G Thomas , C Beckermann. Proceedings of In2 A . ternational Conference on Modeling of Casting , Welding and Ad2 vanced Solidification Processes Ⅷ 〔 〕 San Diego , USA : The C . Minerals , Metals & Materials Societ y , 1998. 17~28

发展 , 球铁性能逐渐提高 , 与锻钢比较 , 球铁具有重 量轻 ,铸造性能好 ,可设计性强及成本低等优点 , 使 得当 前 在 轻 型 发 动 机 中 普 遍 采 用 铸 态 珠 光 体 球 1 铁〔 ,2〕, 在大功率发动机中采用等温淬火球铁〔3 ,4〕. 111 铁液的熔炼及炉前处理

Vol149 12 No Fe b 2000




·89 ·

FOUNDRY

球铁曲轴制造技术及国内外发展动态
刘耀辉 , 杜 军
( 吉林工业大学材料科学与工程学院 , 吉林 长春 130025)

摘要 : 介绍了国内外球铁曲轴的生产应用以及铸造工艺现状 , 指出铁型覆砂铸造和壳型填铁丸铸造工艺是生产球铁曲
轴件具有良好前景的方法 .

LIU Yao2hui , DU J un (Material Science & Engineering School , J ilin University of Technolo gy , Changchun 130025 , J ilin , China ) Abstract : Through introduction of application of the ductile iron in the production of automo bile crankshaft s and pre sent status of it s ca sting technolo gy both in dome stic and abroad. This p ap er point s out that the metal mold ca sting coated with re sin sand and the shell mold ca sting filled with iron balls are technolo gie s with good future in the production of ductile iron crankshaft s. Key words : ductile iron crankshaft ; metal mold ca sting coated with re sin snad ; shell mold ca sing filled with iron balls ( 编辑 : 朱文高)

关键词 : 球铁曲轴 ; 铁型覆砂铸造 ; 壳型填铁丸铸造 中图分类号 : T G255 文献标识码 : A 文章编号 : 100124997 ( 2000) 0220088204

Manufacture Technique of Ductile Iron Crankshaft and It s Development Status in Dome stic and Abroad

球铁的铁液基本要求是 "高温低硫" 国内外铁 ,

5 液熔炼采用冲天炉 + 工频炉双联熔炼的较多〔 〕.铁 液一般要经过脱硫处理 , 当前比较流行的脱硫工艺是 5 多孔塞吹 N 2 气加入 Ca C2 搅拌脱硫〔 ,6〕. 球化处理是球铁件生产中至关重要的环节 .各种 球化剂均是以 Mg 为中心再辅加其它元素 , 稀土添加

元素一般为铈 ,钇等 , 文献 〔 〕显示 , 铈的加入有 7 利于基体组织的细化 .另可根据铸态基体组织的需 要 , 使用含有 Ca ,Ba ,Bi ,Al 等元素的复合球化剂 . 球化时采用哪种球化工艺 , 主要考虑吸收率的高 低 ,反应是否平稳 .国外大多数工厂采用盖包冲入
5 法〔 〕, 其优点是吸收率较高 .型内球化法是为了防 止球化衰退 ,球化不良而采取的一种补救措施 , 常与 5 其它方法联用 , 即复合球化工艺 .喂丝法〔 ,8〕 是最近 发展的一种球化新工艺 , 其优点是反应平稳 ,温度损 失少 , 正在逐步推广 .

相关文章:
铸造充型过程的数值模拟
8 铸造充型过程数值模拟的研究进展 1 前言铸件充型过程数值模拟是随着电子计算机...2 数值模拟的国内外发展概况凝固过程计算机模拟相比,计算机模拟在充型过程的...
铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展
材料加工工程 1382050034 马玉娇 铝合金铸造数值模拟的研究现状发展应用随着...模拟铸造过程中的应用 1 材料加工工程 1382050034 马玉娇 (1) 充型凝固模拟。...
基于ansys的铸件充型凝固过程数值模拟(很好很全)
基于ansys的铸件充型凝固过程数值模拟(很好很全)_信息与通信_工程科技_专业资料...2 1.2.1 充型过程数值模拟国内外发展状况 ... 2 1.2.2 凝固过程数值模拟...
铸件充型凝固过程数值模拟
铸件充型凝固过程数值模拟_工学_高等教育_教育专区。铸件充型凝固过程数值模拟铸件充型凝固过程数值模拟 2.1 概述 欲获得健全的铸件,必先确定一套合理的工艺参数。...
加工过程的数值模拟作业
一. 铸造过程数值模拟发展现状计算机技术的飞速发展,已使其自电力发明以来最具...二.数值模拟在铸造过程中的应用数值模拟的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的...
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告
哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名: 学号: 班级: 材料科学与工程学院 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告...
铸造数值模拟
铸造过程的数值模拟是 本学科发展的前沿之一,包含铸件充型凝固过程、缩松缩孔...一、铸件充型过程数值模拟的研究概况液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段...
数值模拟在铸造充型中的研究进展
摘要 铸造过程计算机数值模拟技术是当今材料科学的重要前沿领域。本文从铸件充型 ...一、 数值模拟的国内外发展概况凝固过程计算机模拟相比,计算机模拟在充型过程...
凝固过程模拟仿真课程论文
凝固过程模拟仿真课程论 文铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the ...4 铸造充型凝固模拟发展 4.1 铸造凝固过程模拟 铸件凝固过程是铸造生产中最重要...
凝固过程计算机数值模拟法的应用
专业班级:材控一班 学号:10050108 电话号码: 13919816845 摘要:介绍了铸件凝固过程温度场数值模拟、充型过程数值模拟、应 力场数值模拟和组织形态数值模拟的发展及其...
更多相关标签:
铸件的凝固方式 | 铸件凝固动态曲线 | 铸件的重量公差数值 | 凝固过程数值模拟 | 铜合金铸件研究现状 | 数值算法工程师现状 | 地震数值模拟研究现状 | 铜铸件 |