铸件凝固过程数值模拟

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1、铸件凝固过程数值模拟1．铸件凝固过程数值模拟作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。   自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响

2、，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教

3、授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色。   1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分

4、的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论：   l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。   2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。   3）比赛结果是新山英辅获胜。他所提出的缩松判据成为预测缩松缺陷的理想判据之一，常用于铸钢件的缩松预测。   图1为一斧锤型铸件，图2为新山英辅的模拟计算结果。 

5、  在我国，70年代末开始对铸件凝固过程进行计算机数值模拟研究工作，对凝固工艺进行控制。以此为基础，在“七五”期间，沈阳铸造研究所组织了五校一所一厂的联合攻关组，开展了题目为大型铸钢件铸造工艺CAD的国家重点科技攻关项目的研究工作。由研究所、大学和工厂组成联合攻关组，充分说明了我国在这一领域中重视理论研究与实际应用的结合。在“七五”攻关课题研究中，对铸件凝固过程的数值模拟、铸钢件的缩孔缩松判据、铸件热应力计算、浇注系统CAD、冒口系统CAD、外冷铁工艺CAD等进行了较为系统与细致的研究，开发出SIMU-3D模拟计算及工艺设计等一批软件，缩短了与国际先进水平的差距。   以SIMU-3D软件为

6、基础，根据电渣熔铸工艺的特点，开发了电渣熔铸工艺过程计算机模拟软件ESRC-3D。利用该软件对电渣熔铸工艺过程进行了计算机动态模拟，取得了较好的效果。在电渣熔铸过程中，参加热交换的介质较多，传热关系复杂。又因为铸件、金属熔池、渣池和电极的位置在整个工艺过程中是在不断变化的，故其模拟计算域中的单元属性都在不断的发生变化，因此其模拟计算有一定的难度。金属熔池与渣池的热交换、金属熔池的凝固、铸件金属、渣池与结晶器之间的热交换等都采用博里叶导热微分方程作为传热数学模型进行模拟计算。在渣池中，由于受到电压和电流的作用，渣阻生热，加热了电极，使其熔化，形成金属熔滴，自由下落，形成金属熔池。因此，熔滴的形

7、成与电压、电流、渣池的吸热和传热、金属熔池的吸热和传热及冷却系统的强度有关。根据电渣熔铸过程的物理分析，采用能量法建立了金属熔滴形成的数学模型，将这一模型与前述的傅里叶导热模型联立，方能把整个电渣熔铸过程描述准确。能量法简述如下：   设单位时间内渣油得到的总热量为Q＝IU，由渣油散失的热量为Q´，并有                             Q´＝Q´1＋Q´2＋Q´3＋Q´4式中 I——通