計算機模擬在鑄造過程及工藝優化中應用探究

張金棟 民權縣教師進修學校

引言

鑄造行業是制造業的重要組成部分，對國民經濟的發展起著重要作用。同時，鑄造行業又是產品質量不易保證、廢品率較高的產業，因此，對鑄件生產實現科學化控制，確保鑄件質量，縮短試制周期，降低鑄件成本，加速產品更新換代，對于促進傳統工業的技術改造具有重要的現實意義。鑄造過程計算機模擬的應用已經有幾十年的歷史，但是直到20 世紀80 年代，才開始實現模擬軟件、計算機硬件和人力資源的完美結合，工業上以計算機為基礎的模擬才奸始普遍應用。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，造CAD(計算機輔助設計)，鑄件凝固過程CAE、(計算機軸功分析)等多項技術大量應用于生產實際。目前，具有一定規模的鑄造企業在生產中均采用凝固模擬分析技術，精確地預測缺陷和提高鑄件的工藝出品率。計算機模擬已發展為鑄造過程最具潛力的模擬預測具，已經進入工業化應用階段，成為鑄造行業發展不可缺少的環節。

一、鑄造過程計算機模擬的內容和意義

為了生產出合格的鑄件，就要對影響其形成的因素進行有控制。鑄件的形成經歷了充型和凝固兩個階段，宏觀上主要涉及到流動、冷卻和收縮3 種物理現象。在充型過程中，流場、溫度場和濃度場同時變化；凝固時伴隨著溫度場變化的同時存在著枝晶間對流和收縮等現象；收縮則導致應力場的變化。與流動相關的鑄造缺陷主要有：澆不足、冷隔、氣孔、夾渣；充型中形成的溫度場分布直接關系到后續的凝固冷卻過程；充型中形成的濃度場分布與后續的冷卻凝固形成的偏析和組織不均勻有關。凝固過程的溫度場變化及收縮是導致縮孔縮松的主要原因，枝晶間對流和枝晶收縮是微觀縮松的直接原因。熱裂冷裂的形成歸因于應力場的變化。可見，客觀地反映不同階段的場的變化，并加以有效的控制，是獲得合格鑄件的充要條件。

二、鑄造過程計算機模擬的原理

鑄造過程計算模擬技術的實質是對鑄件成型系統（包括鑄件—型芯—鑄型等）進行幾何上的有限離散，在物理模型的支持下，通過數值計算來分析鑄造過程有關物理場的變化特點，并結合有關鑄造缺陷的形成判據來預測鑄件質量。鑄造過程計算機模擬的一般步驟是：(1)匯集給定問題的單值性條件，即研究對象的幾何條件、物理條件、初始條件和邊界條件等；(2)將物理過程所涉及的區域在空間上和時間上進行離散化處理；(3)建立內部節點(或單元)和邊界節點(或單元)的數值方程；(4)選用適當的數值計算方法求解線性代數方程組；(5)編程計算。其中，核心部分是數值方程的建立。根據建立數值方程的方法不同，又分為多種數值計算方法。鑄造過程采用的主要數值計算方法有：有限差分法(FDM)、直接差分法(DFDM)、控制體積法(VEMI)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM)和格子氣法(Lattice Gas Automation)無論采用哪種數值計算方法，鑄造過程計算機模擬軟件都包括3 個部分：前處理、中間計算和后處理。其中，前處理部分主要為數值模擬提供鑄件和鑄型的幾何信息、鑄件及造型材料的性能參數信息和有關鑄造工藝信息。中間計算部分主要根據鑄造過程涉及的物理場為數值計算提供計算模型，并根據鑄件質量或缺陷與物理場的關系(判據)預測鑄件質量。后處理部分的主要功能是將數值計算所獲得的大量數值以各種直觀的圖形形式顯示出來。

三、目前計算機模擬技術在鑄造過程的應用范圍

1.充型凝固模擬

已經研究許多算法，如并行算法、三維有限元法、三維有限差分法、數值法與解析法等，主要以砂型鑄造、壓力鑄造的充型模擬為主，其發展趨勢是輔助設計澆注系統。

2.縮孔縮松預測

鋼鑄件的縮松判據可采用C/R2，是將其由二維擴展到三維進行縮松形成的模擬，對于同時存在多個補縮通道的鑄件，則采用多熱節法進行縮孔、縮松的預測。

3.凝固過程應力模擬

主要針對鑄件殘余應力和殘余變形進行模擬，而液固共存時應力場數值模擬是應力場數值模擬的核心，許多鑄造缺陷如縮松、縮孔、熱裂等都發生在此階段。國內外不少數值模擬軟件具有應力分析的功能。

4.凝固過程微觀組織模擬

微觀組織模擬是一個復雜的過程，比凝固和充型過程模擬具有更大的困難。近年來各種微觀組織模擬方法紛紛出現、已成為材料科學的研究熱點之一。這些方法雖能在一定程度上比較準確地模擬合金的凝固組織，但由于實際的凝固過程比較復雜，這些方法都作了很多假設，因此離實際的鑄件凝固組織模擬還有一定距離。目前主要的模擬方法有確定性模擬、隨機性模擬、相場方法、介觀尺度模擬方法等。場相法是研究直接微觀模擬的熱點，主要的模擬模型有三種： Monte Carlo(MC)方法元胞自動機模型、相場模型。

四、目前計算機模擬鑄造過程的軟件種類

目前計算機模擬鑄造過程的軟件應用，主要是國外的軟件占主要地位并且代表了計算機數值模擬的最高水平，這些軟件基本可以模擬常用的砂型、金屬型和壓力鑄造、低壓鑄造、熔模鑄造的造過程。常用的國外軟件有德國的 MAGMA Soft，芬蘭的Cat—CAE.美國的 ProCAST 和Flow-3D 等。國外鑄造過程模擬軟件雖然各有特點，各有側重，但基本都可以完成充型模擬、凝固分析、殘余應力和變形分析，也能對鑄件缺陷和性能預測等內容進行分析， MAGMA Soft和 PRO—CAST 則可以進行鑄件的顯微組織分析。國內清華大學的FT-Star、華中科技大學的華鑄CAE、北方恒利科技發展有限公司的CASTsoft 等軟件，不僅能夠有效地預測鑄件鎖孔類缺陷，其準確性基本上達到了定量的程度，為鑄造工藝的設計提供了可靠的理論基礎和實用參數，可實現鑄造工藝的設計從經驗化走向科學化。

鑄造過程計算機模擬軟件，集鑄造過程仿真、鑄造缺陷預測及結果顯示為一體。實現對鑄件中的充型流態、凝固過程溫度場模擬和缺陷預測，從而對鑄造過程中所涉及的工藝參數和工藝方案做出評價，達到大幅度縮短工藝定型周期、降低廢品辛的目的。

五、計算機模擬在鑄造過程中所達成效

首先、可以達到鑄造工藝及鑄造材料的最佳化選擇；其次、進行生產工藝的設計；三、可以建立多種工藝類型；四、能夠開發澆鑄系統和補縮；五、可以最佳化澆冒口尺寸及位置；六、進行質量、理學性能的預測；七、可以減少殘余應力及扭曲變形發生；八、可以進行模具的熱平衡計算和設計；九、能夠完善和管理鑄造工程檔案。

總之，利用計算機模擬鑄造過程的軟件，可以模擬鑄造件充型和凝固過程中溫度場、流動場、壓力場、應力場的變化規律，進而優化鑄造工藝，保證和提高鑄件質量。