基于cae分析的铸钢件冒口优化技术的研究

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1、体工艺而做的冒口优化系统的研究。华中科技大学的沈旭[30]建立了基于形状优化的冒口优化系统，该系统能够自动的对铸件添加冒口和进行冒口工艺的优化。同时，刘薇芳基于遗传算法的优化模块实现了简单铸钢件冒口的优化设计。这些研究取得了一定的成果，对于铸造工艺冒口的设计起到了积极的推动作用[31-33]。1.3课题主要研究内容本研究利用铸造CAE分析技术、冒口数学模型和遗传算法，通过C/C++编程技术，开发出一套基于CAE分析的铸钢件冒口优化设计系统。该系统依托华铸CAE软件进行铸钢件的充型凝固模拟工作。本课题的主要研究内容具体如下：(1)铸造CAE分析通过华铸CAE软件模拟得到铸件缩孔缩松

2、等缺陷的分布、大小及形状，温度场的分布和金属液体充型过程的流动情况，并以此作为优化的依据。(2)冒口数学模型的建立针对不同铸钢件的工艺选择合适的冒口类型；将铸钢件冒口设计原则和传统铸造经验相结合，通过重点研究三次方程法和模数法，找出其中的关系和契合点，将三次方程法与模数法结合，将之转化为冒口数学模型，并用程序实现。(3)优化算法的研究与应用以遗传算法为基础，结合冒口数学模型，利用C++语言开发了基于遗传算法的铸钢件冒口优化程序。(4)铸钢件冒口优化系统的设计与实现针对铸钢件冒口优化设计问题，依据华铸CAE软件分析模拟得到的液相孤立区的动态变化情况与缩孔缩松信息，确定铸件分区。将冒

3、口数学模型与遗传算法结合，开发出铸钢件冒口优化系统。通过实际浇注结果与模拟结果进行对比，验证优化体系的可行性。本系统的研究目的是在设计人员的参与和引导下，由计算机自动完成铸件金属液的充型、凝固和冒口优化计算，交互式的实现铸钢件冒口的优化设计。整体系统4的技术路线如下图1-1。开始铸造CAE数值模拟交互设计自动人员冒口工艺优化计算得到最优结果结束图1-1冒口优化系统技术路线52铸钢件冒口数学模型及优化算法的建立冒口工艺设计在计算机上进行数值模拟的过程中需要获得整个工艺方案的数学模型[34]。本章完成冒口数学模型和优化算法的建立。2.1铸钢件冒口数学模型的建立实际生产中，针对不同的铸

4、件和工艺采用不同的冒口类型，在铸钢件冒口设计中常会用到以下四种类型，分别为：圆柱形明冒口、圆柱形暗冒口、侧冒口、球形冒口。本研究完成了以上四种冒口数学模型的建立。2.1.1铸钢件冒口设计原则在进行铸钢件冒口工艺方案的设计中，一般应满足以下几个原则：1)铸件被补缩区域部位的凝固时间应小于或者等于冒口的凝固时间，确保铸件比冒口先凝固。2)冒口中要有足够的金属液去补充铸件的液态收缩、凝固收缩和浇注后型腔扩大的体积。3)在金属液凝固的过程中，冒口和被补缩区域之间要始终存在补缩通道，并且保持扩张角向着冒口，使得金属液能够在重力的作用下顺利流入铸件中。4)为了使金属液能够比较顺利的流进铸件补

5、缩区域，冒口的内部应有足够的正压力。同时，为了避免因为设置冒口而延长了铸件的凝固时间，铸件分区的几何热节应大于等于冒口与铸件的接触热节[31-33]。2.1.2铸钢件冒口设计方法本系统中采用了三次方程法和模数法作为冒口优化系统中的设计方法。现在先介绍两种方法的设计原理[31-33,35]。1.模数法6模数法基于顺序凝固的基本原理。遵循以下两个原则：1)模数约束按照模数理论，铸件的凝固时间取决于它的体积和传热表面积的比值，即模数。可以用下式（2-1）表示：VM=（2-1）A式中，M——模数；V——体积；A——传热表面积同时，铸件被补缩区域部位的凝固时间应小于或者等于冒口的凝固时间。

6、运用22Chvorinov公式有τ=(/)MK和τ=(/)MK得：rrrccc22(/)(/)MKM≥K（2-2）rrcc式中，M、M——分别表示冒口模数与铸件模数rcK、K——分别表示冒口凝固系数与铸件凝固系数rc模数越大的铸件，凝固时间越长；反之，越短。用模数代表凝固时间，分析铸件的凝固情况。为了保证冒口的凝固时间晚于铸件，对于普通冒口，K=K。因此，rc上式可以写成M=fM（2-3）rc式中，f——冒口的安全系数，f≥1，在本研究中选取1.2对铸钢、低合金钢铸件，其冒口、冒口径和铸件的模数应符合下列关系：侧冒口M:M:M=1:1.1:1.2（2-4）cnr内浇道通过冒口M:

7、M:M=1:(1~1.03):1.2（2-5）cnr顶冒口M=(1.2~1)M（2-6）rc其中，M为冒口颈的模数。n2)体积约束冒口必须能够提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和7因型壁移动而扩大的容积，使缩孔不致伸入铸件中。为此应满足条件ε(V+V)+V≤VηcrerεVc即V≥（2-7）rη−ε式中，V、V、V——分别表示铸件体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积。cre本研究中设定V值为零。eε——表示金属从浇完到凝固完毕的体收缩率（%），取4.5%~7