1.1 概述
在鑄造生產(chǎn)中，鑄件凝固過程是最重要的過程之一，大部分鑄造缺陷產(chǎn)生于這一過程。凝固過程的數(shù)值模擬對(duì)優(yōu)化鑄造工藝，預(yù)測(cè)和控制鑄件質(zhì)量和各種鑄造缺陷以及提高生產(chǎn)效率都非常重要。
凝固過程數(shù)值模擬可以實(shí)現(xiàn)下述目的：
1）預(yù)知凝固時(shí)間以便預(yù)測(cè)生產(chǎn)率。
2）預(yù)知開箱時(shí)間。
3）預(yù)測(cè)縮孔和縮松。
4）預(yù)知鑄型的表面溫度以及內(nèi)部的溫度分布，以便預(yù)測(cè)金屬型表面熔接情況，方便金屬型設(shè)計(jì)。
5）控制凝固條件。
6）為預(yù)測(cè)鑄應(yīng)力，微觀及宏觀偏析，鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
鑄件凝固過程數(shù)值模擬開始于60年代，丹麥FORSUND把有限差分法第一次用于鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算。之后美國(guó)HENZEL和KEUERIAN應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C(jī)內(nèi)缸體鑄件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出了溫度場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)接近。這些嘗試的成功，使研究者認(rèn)識(shí)到用計(jì)算數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件的凝固過程具有巨大的潛力和廣闊的前景。于是世界上許多國(guó)家都相繼開展了鑄件凝固過程數(shù)據(jù)模擬以及與之相關(guān)的研究工作。
1.2 數(shù)學(xué)模型的建立和程序設(shè)計(jì)
液態(tài)金屬澆入鑄型，它在型腔內(nèi)的冷卻凝固過程是一個(gè)通過鑄型向環(huán)境散熱的過程。在這個(gè)過程中，鑄件和鑄型內(nèi)部溫度分布要隨時(shí)間變化。從傳熱方式看，這一散熱過程是按導(dǎo)熱，對(duì)流及輻射三種方式綜合進(jìn)行的。顯然，對(duì)流和輻射的熱流主要發(fā)生在邊界上。當(dāng)液態(tài)金屬充滿型腔后，如果不考慮鑄件凝固過程中液態(tài)金屬中發(fā)生的對(duì)流現(xiàn)象，鑄件凝固過程基本上看成是一個(gè)不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程。因此鑄件凝固過程的數(shù)學(xué)模型正是根據(jù)不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程建立的。但還必須考慮鑄件凝固過程中的潛熱釋放。基于分析和計(jì)算模型開發(fā)相應(yīng)的程序，即可實(shí)現(xiàn)鑄造凝固過程溫度場(chǎng)的計(jì)算。
1.3 溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬
在熱模擬中,溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬是最基本的，以三維溫度場(chǎng)為主要內(nèi)容的鑄件凝固過程模擬技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段,日本許多鑄造廠采用此項(xiàng)技術(shù)。英國(guó)的Solstar系統(tǒng)由三維造型,網(wǎng)格自動(dòng)剖分,有限差分傳熱計(jì)算,縮孔縮松預(yù)測(cè),熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)及圖形處理等模塊組成。
1.4 鑄件充型過程的數(shù)值模擬
鑄件充型過程的數(shù)值模擬是通過計(jì)算金屬液充型過程中的流體流動(dòng)得出的。充型過程的數(shù)值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統(tǒng)中以及在型內(nèi)的流動(dòng)情況。包括:流量的分布、流速的分布以及由此導(dǎo)致的鑄件溫度場(chǎng)分布。
充型過程數(shù)值模擬一方面分析金屬液在澆冒口系統(tǒng)和型腔中的流動(dòng)狀態(tài),優(yōu)化澆冒口設(shè)計(jì)并仿真澆道中的吸氣,以消除流股分離和避免氧化,減輕金屬液對(duì)鑄型的侵蝕和沖擊;另一方面,分析充型過程中金屬液及鑄型溫度變化,預(yù)測(cè)冷隔和澆不足等鑄造缺陷。
充型過程數(shù)值模擬技術(shù)由于所涉及的控制方程多而復(fù)雜,計(jì)算量大而且迭代結(jié)果易發(fā)散，加上自由表面邊界問題的特殊處理要求使其難度更大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過多年研究已開發(fā)出了MAGMA軟件,Pro CAST等。MAGMA軟件可對(duì)中等復(fù)雜鑄件進(jìn)行三維流場(chǎng)分析，獲得比較符合實(shí)際情況的初始溫度場(chǎng)分布。
鑄造充型過程數(shù)值模擬技術(shù)主要有三種方法:
1 SIMPLE法,即壓力連接方程半隱式方法(Semi- Implicit Method for Pressure Linked Equation);
2 SMAC法,即簡(jiǎn)化標(biāo)示粒子法(Simplifed Marker and Cell);
3 SOL A- VOF法,即解法 (Solu-tion Algorithm)及體積函數(shù)法 (Volume of Fluid)。
1.5 應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬
鑄件熱應(yīng)力的數(shù)值模擬是通過對(duì)鑄件凝固過程中熱應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算、冷卻過程中殘余熱應(yīng)力的計(jì)算來預(yù)測(cè)熱裂紋敏感區(qū)和熱裂紋的。應(yīng)力場(chǎng)分析可預(yù)測(cè)鑄件熱裂及變形等缺陷。
由于三維應(yīng)力場(chǎng)模擬涉及彈性-塑性-蠕變理論及高溫下的力學(xué)性能和熱物性參數(shù)等,研究的難度大。現(xiàn)在研究多著重于建立專門用于鑄造過程的三維應(yīng)力場(chǎng)分析軟件包,有些研究是利用國(guó)外的通用有限元軟件對(duì)部分鑄件的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析,這對(duì)優(yōu)化鑄造工藝和提高鑄模壽命發(fā)揮了重要作用。應(yīng)力場(chǎng)模擬分析正向?qū)嵱没l(fā)展，但迄今為止還沒有一種科學(xué)方法準(zhǔn)確測(cè)量金屬鑄件各個(gè)部位的熱應(yīng)力或殘余應(yīng)力。
1.6 鑄件微觀組織模擬
鑄件微觀組織數(shù)值模擬是計(jì)算鑄件凝固過程中的成核、生長(zhǎng)等,以及凝固后鑄件的微觀組織和可能具備的性能。鑄件微觀組織模擬經(jīng)過了定性模擬、半定量模擬和定量模擬階段，由定點(diǎn)形核到隨機(jī)形核。這一研究存在的問題是很難建立一個(gè)相當(dāng)完善的數(shù)學(xué)模型來精確計(jì)算形核數(shù),枝晶生長(zhǎng)速度及組織轉(zhuǎn)變等。瑞士 M Rappaz教授與美國(guó) Stefanescu教授在 1985年前后同時(shí)進(jìn)行該項(xiàng)目的研究。他們從宏觀溫度場(chǎng)入手,分別對(duì)鋁合金及鎳基合金和鐵的晶粒數(shù),晶粒尺寸分布及二次臂距進(jìn)行估算。鑄件微觀組織模擬研究今后將向定向凝固及單晶方面發(fā)展,同時(shí)在計(jì)算精度、計(jì)算速度等方面有很多工作要做。
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