计算机模拟在石油装备铸造技术中的应用

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1、计算机模拟在石油装备铸造技术中的应用尹永晶赵旭平张良（南阳二机石油装备(集团)有限公司技术中心河南南阳473006）摘要：铸件的凝固过程是一个复杂的物理化学变化过程，在这个过程中缩孔、缩松等铸造缺陷相继出现。通过计算机模拟技术可以在生产前发现这些缺陷的具体位置和大小，并将这些质量安全隐患消灭在计算机模拟的反复比较优化中；利用计算机模拟技术可以有效地控制生产成本的投入，使铸件获得很高的性价比。关键词：计算机模拟；缩孔；缩松；TheApplicationOfComputerSimulationTechnolo

2、gyToPetro-MachineryCastingYINYongJingZHAOxupingZHANGLiang（RGPetro-machinery(Group)Co.，Ltd.）Abstract:Thesolidificationcourseofcastisacomplicatedphysicalchemistrychangingcourse,inwhichtherewillbeshrinkagecavityandshrinkageporosityetc.insuccession.Bythecompu

3、tersimulationtechnology,thepositionandsizeofflawcanbefoundbeforeproductionandavoidedbycomparingtimeandagain.Otherwise,theproductioncostsofcastcanbecontrolledandtheratiooffunctiontocostscanbeincreased.Keywords:Computersimulation;Shrinkagecavity;Shrinkagepo

4、rosity铸件形成过程是极其复杂的高温、动态、瞬时的过程，难以直接观察。长期以来，基础学科的理论知识难以定量指导铸件形成过程，铸造工艺设计只能建立在“经验”上。我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制造，大件制造的关键是热加工。特别在冶金、矿山、石化等行业对大件的需求非常迫切，由于大件形大体重，品种多，批量小，生产周期长，造价高，要求“一次制造成功”，一旦报废，损失惨重，无法挽回。由于传统的铸造工艺设计只凭借经验，难免在复杂的铸造工艺中有疏漏，因而重大铸件报废现象时有发生，投入使用的重大铸件，也难以

5、消除内部诸多铸造缺陷，很多大件带伤运行。近些年，随着试验技术及计算机技术的发展和铸件形成理论的深化，通过数值模拟和物理模拟，计算机动态仿真可视化模拟铸件形成过程成为现实，实现了虚拟制造。计算机模拟技术的广泛应用，必将使铸造技术水平产生质的飞跃。建立在计算机工艺模拟、优化基础上的铸造工艺，将“隐患”消灭在计算机模拟的反复比较优化中，从而确保[1～2]关键件一次制造成功。1341计算机模拟对铸造缺陷的发现石油钻机、修井机上使用的钩筒、钩体、绳槽板、筒身、刹车毂等重大铸件，要求有良好的使用性和安全性。凭经验设计

6、的铸造工艺，铸造缺陷难以发现，铸件在使用中失效现象时有发生，难以找到问题的关键所在。华铸CAE/InteCAST铸造工艺分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。实践证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的[3]效果。借助此软件模拟分析，问题迎刃而解。Y

7、G225钩体的模拟：钩体是石油钻机、修井机提升系统上的关键部件，铸件毛坯重量达1150Kg,工作中，承载最大拉力为2250kN，主要集中在主、副钩上，因此，主、副钩部分不允许有缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷存在。由于钩体形状复杂，各部分厚薄不匀，且曲面较多，仅凭设计人员按照理论计算铸件的重量以及各部分的模数，冷铁的大小和放置的最佳位置都极为困难。利用“华铸CAE/InteCAST凝固模拟分析系统”进行多次模拟分析，最终制定出合理的铸造工艺。YG225大钩计算机模拟分析步骤如下：1.1三维实体造型：依据图纸和工

8、艺方案进行三维实体造型，利用软件AutoDeskInventor8建立铸件、冒口、浇注系统、冷铁三维模型，并将IPT格式转化为STL格式。1.2选择适当的网格，利用前置处理模块的网格自动剖分功能对铸件、铸型等实体进行网格剖分，得到计算部分所需的离散模型，如图2所示。Fig.1Three-dimension1.3利用计算处理模块进行流动场与温度场diagramofYG225Hook的耦合计算，耦合计算后得到铸件铸型各部分的初始温