低壓鑄造中鋼包熱—結構耦合分析及優化

（鑫誠建設監理咨詢有限公司，北京，100089）

低壓鑄造是在裝有金屬液的密閉鋼包中通入高壓氣體，金屬液通過升液管被壓入指定的型腔內，保壓一定時間后凝固以形成鑄件的一種方法。而鋼包作為盛裝金屬液的壓力容器，對其工作條件與性能要求較高，具體表現在以下幾個方面：

（1）鋼包需承受來自金屬液的高溫與充入介質氣體的高壓；

（2）為降低壓鑄造中的熱量損失，防止金屬液在升液管中堵塞，鋼包應有良好的保溫作用，并將包壁溫度控制在300℃以下；

（3）鋼包金屬包壁應滿足足夠的強度。

為驗證鋼包是否滿足上述條件，本文根據以往鋼包的設計經驗[1-4]，結合低壓鑄造實際所需條件，如金屬液體積、鋼包空間尺寸，鋼包材料性質等，建立鋼包的三維有限元模型，分析鋼包的溫度場結果及熱-結構耦合結果，并通過不斷的優化設計，使鋼包滿足低壓鑄造的所需條件。

1 鋼包模型建立

1.1 結構尺寸設計

在以往鋼包設計的基礎上，針對所需鑄件材料的用量，設計出所需低壓鑄造鋼包，低壓鑄造鋼包結構尺寸為：內腔深度（H1）1838mm，總體高度（H2）2413mm，內徑（D內）1580mm，錐度為15%，按盛鋼體積換算，實際容積（V）2.613×109mm3。圓周面積1.1705×105mm2，上口表面積4.019×104mm2，下底面積1.754×104mm2。鋼包結構如圖1所示。

1.2 材料選擇

由于熱能傳遞三種基本方式，熱傳遞由鋼包內襯和外壁材料導熱系數決定，熱對流由空氣對流系數決定，熱輻射由鋼包表面積及周圍環境溫度決定，因此，鋼包熱能傳遞過程中需要了解材料的導熱系數、密度、比熱容，鋼包所處環境空氣自然對流系數及輻射系數等，設計的鋼包尺寸參數如表1所示，選擇的材料物性參數如表2[5-6]。

表1 鋼包的材質與厚度

表2 鋼包材料的物性參數

2 鋼包溫度場分析

2.1 網格劃分

將鋼包三維實體模型導入到 ANSYS Work bench 中對鋼包進行的網格劃分，其中有限元模型采用自由網格劃分，對過渡拐角處進行網格細化，有限元模型共有單元378390 個，節點 813865 個。

圖2 網格劃分圖

圖3 溫度場結果

表3 鋼包材料的物性參數

2.2 邊界條件及結果

鋼水注入到鋼包內后，忽略鋼水狀態運動及鋼水熱運動，可視不同部位鋼水的溫度是均勻相等且溫度不變，則與鋼水接觸鋼包工作層溫度載荷為1600℃，對包壁加載自然對流，將輻射對流換熱換算為自然對流換熱加載到包壁上，鋼包蓋和鋼包體工作層沒有和鋼水接觸的部位受到鋼水液面的輻射。加載后進行計算，得出鋼包整體溫度分布圖，如圖3所示。根據鋼包溫度場模擬結果可得出鋼包壁溫度范圍在183℃-245℃之間，而鋼包底端拐角處，鋼包蓋頂端拐角處等距鋼水較遠的位置，平均溫度在110.2℃-147.3℃之間，此溫度對于蠕變溫度在350℃以上的鋼包殼材料能夠滿足強度要求。

3 鋼包熱-結構耦合分析

熱-結構耦合是溫度和應力之間影響的結果，ANSYS給出2種計算方法，即間接法和直接法。間接法是先完成有限元模型溫度場計算，之后將節點溫度結果加載到應力分析結果中。直接法是采用耦合單元，將溫度載荷與結構載荷共同施加在有限元模型上，計算結果受到溫度與應力同時作用。本文不僅需要研究鋼包溫度場，也應考慮鋼包溫度場對應力場的影響，因此采用間接法先對鋼包的溫度場進行求解，進而求解其他結構的熱應力。

3.1 材料的物性參數

鋼包物性參數如表3所示，其中包括材料導熱系數、密度、比熱容、膨脹系數、彈性模量、泊松比。

3.2 施加邊界條件

（1）鋼包在注入鋼水后，鋼包溫度上升，鋼包溫度場中各個零件的溫度作為載荷施加在結構應力分析中。

（2）由于鋼包在沖壓過程中可視為靜止狀態，可將鋼包底面節點上下方向的位移約束。

（3）鋼包內充入氣體壓力，將鋼包工作層內壁施加壓力，壓力值等于沖入的氣體壓力值。

3.3 熱結構耦合結果

當介質氣體壓力值為1Mpa，從圖中可以看出，鋼包外壁底端偏上處的應力最大，應力值為229.03Mpa，這是由于鋼包底端偏上部位正是鋼包內襯的底端，鋼包內充入氣體壓力，氣體壓力對鋼包內襯底端轉角處有力矩的作用，力矩由內襯傳遞到包壁，最終使包壁底端偏上部位的應力值達到最大。對于鋼包蓋來說，由于氣體壓力對其壓力的作用，與上述原理相同，最后應力由內襯傳遞到包蓋外壁，在包蓋直徑最大的部位出現最大值，其應力大小為140Mpa。

3.4 鋼包結構優化

雖然鋼包壁的材料滿足強度要求，但是由于大部分零件存在著應力集中的現象，可通過改變零件的結構等方式進行改進，從而改善應力集中現象。圖5a為優化后三維有限元模型，其中，將鋼包蓋，鋼包壁應力較大的部位添加強筋，將卡箍有應力集中的部位采用較大的過渡圓角。

圖5b為鎖緊機構和鋼包的應力分布圖，由圖可以看出，鋼包體底端添加筋板后，應力相對分布更加均勻，原鋼包底部應力集中部位的應力被筋板均分后分布更加的均勻，應力值大小約為159Mpa，鋼包蓋添加筋板后，應力集中部位的應力被均分后的大小約為105Mpa，應力集中明顯減小。

圖4 熱-結構耦合分析結果

圖5 優化模型及熱-結構耦合分析結果

4 結論

（1）通過合理選擇鋼包的材料及結構尺寸，包壁溫度可控制在183℃-245℃之間，鋼包可提供良好的保溫效果。

（2）優化后的鋼包結構，應力分布更加均勻，應力集中現象明顯減小，包壁底部應力由229Mpa降低至159Mpa，包蓋外沿最大應力由140Mpa降低至105Mpa。