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基于华铸CAE 铸钢件凝固组织快速预测技术的研究 殷亚军 周建新 许威 周洲 廖敦明 杨满红 （华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室 湖北 武汉 100074） 摘要：本文首先基于铸钢件凝固形核以及生长模型，结合华铸CAE 充型凝固数 值模拟软件，提出了铸钢件凝固组织数字化快速计算方法。为了验证方法的正确 性，本文采用粗细相差很大的框架铸钢件作为试验件，基于华铸CAE 温度场的 数值模拟结果，利用所建立的组织快速预测模型对该铸件进行了组织快速模拟， 预测结果与理论分析有很好的吻合。在验证所建立的方法能够正确快速预测铸钢 件组织的前提下，对某一实际铸钢件不同工艺的充型凝固组织进行了预测，并对 所预测的结果进行了对比分析，指出了不同的工艺会如何影响凝固组织。因此， 本文所建立的计算方法能够对铸钢件进行组织数字化快速预测，并对铸钢件工艺 的设计具有参考和指导意义。 关键词：华铸CAE 铸钢件 凝固组织 快速预测 0 前言 随着计算机技术的发展，铸造过程的宏观模拟，如温度场模拟、充型过程流 动场的模拟、应力场的模拟等的研究已经较为深入，技术也相对比较成熟，国内 外也相继出现较为成熟的商业软件，并在工业生产中得到了实际应用，产生了巨 大经济意义。国内外学者研究热点也由宏观向微观转移，而对于铸钢件凝固过程 的微观组织数值模拟过程以及实验研究，国内外研究人员也应经做了相当多的工 作，从20 世纪80 年代发展的概率模型到后续的相场模型以及水平集模型等，都 极大的推动了材料凝固过程微观模拟的研究与发展。 本文的目的就是将铸造过程的宏观数值模拟和微观组织计算模型相结合，进 行铸钢件凝固组织的计算和预测，通过对铸钢件各种工艺的微观组织提前做出预 测，就可以有针对性的对铸造工艺参数做出相应的调整，以便能得到更好的组织 及性能。 1 快速预测模型 为了在铸造实际生产过程中，能够快速的预测组织，对生产起指导和参考作 用，那么本文所提出的组织预测方法应能快速给出工艺设计人员进行设计所需要 的组织信息。组织快速预测基本路线如下图所示： 图1 铸钢件组织快预测基本路线 在前言中，已经总结到，国内外研究关于铸造宏观过程数值模拟已经较为成 熟，相应出现了商业软件。本文的研究工作基于国内知名铸造模拟分析商业软件 华铸 CAE，来获取铸钢件铸造充型凝固过程的温度数据作为组织预测的计算基 础。而基于温度计算组织的预测模型本文主要采用了以下两个方面的预测模型： （1）形核率预测模型 [1] 利用 Oldfield 提出的形核模型 ，结合非均匀形核理论，Rappaz 和 Thévoz [2-4] 等 提出了一种基于高斯分布的形核模型。假设形核现象发生在一系列不同的 形核位置上，而这些形核位置可由连续的而非离散的分布函数dn/d(? T)来描述。 在某一过冷度? T 时所形成的晶粒密度n(? T)即可由对该分布曲线的积分求得： T dn n T 0 d T d T ( 1) 可见只要得到合理的晶粒密度分布表达式，即可按上式求得已形核的晶粒 [5] 数。dn/d(? T)的表达式为 ： dn n 1 T T 2 max exp N (2) d T 2p T 2 T s s 式中： ? T ——平均形核过冷度； N ? T ——标准曲率过冷度； s n ——异质形核衬底的最大密度。 max （2 ）