材料成形过程数值模拟2分析.ppt

材料成形过程数值模拟（二） 金属铸造成形的数值模拟发展历史： 丹麦forsund于1962年首次采用电子计算机模拟铸件凝固过程 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 我国始于70年代末期，沈阳铸造研究所与大连工学院率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作 从20 世纪70 年代到80 年代，随着计算机技术的提高，建立了更多的模拟过程与计算模型，这些模型可进行充型模拟，预测浇注温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。 80 年代后期，充型模拟发展成熟（软件包：日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM、亚琛的CASTS，日立研究所新山英辅提出的缩松判据 ） 90 年代后期,发展了微结构模拟和应力和变形的模拟研究 铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融的金属液浇入铸型，冷却凝固后获得一定形状与性能的金属物件的成形方法。 主要包括充型、凝固、收缩三个过程 铸造缺陷：浇不足、冷隔、卷气、夹渣、缩孔、缩松、热裂、冷裂、变形 铸造数值模拟 流动场模拟 优化浇注条件和浇冒系统，减轻流股分离、卷气、夹渣 温度场模拟 控制凝固过程 热-流耦合模拟 控制氧化、冷隔、浇不足 应力场模拟 控制热裂、冷裂、变形 铸件组织模拟 晶粒形核长大、溶质扩散 铸件凝固过程的数值模拟 凝固过程中传热过程的复杂性——凝固过程传热模型 有限差分法、有限元法、边界元法 基本假设 1.铸液充型时间极短 2.瞬间开始凝固 3.不考虑液固相界面推移 4.忽略铸液过冷 5.简化热传导条件 热传导控制方程 Fourier 方程 单位时间获得的热量等于单位时间传入的热量加上单位时间相变释放的热量。 结晶潜热的处理 1.等效比热容法 ce=c+L0 2.热焓法 3.温度补偿法 其他传热方式 对流传热 qf=α（Tf-Tw） 辐射传热 qr=ES（T4-T4∞） E –黑度 S –stefan-boltzman 常数 铸液充型过程的数值模拟 数学模型 1 连续方程 不可压缩，质量守恒 2 动量守恒方程 重力、表面压力和运动的动力（加速力和粘性力之差）所产生的动量之和为零 3 能量守恒方程 流动引起的温度变化主要由流体自身导热和流体对流传热造成的 SOLA-VOF求解法 在充型过程的模拟中，采用比较多的算法有SOLA-VOF，SIMPLER，MAC，SMAC，OMMIX等，公认的较为实用的算法是SOLA-VOF。 由解法 (Solu-tion Algorithm)和体积函数法 (Volume of Fluid) 两部分构成 前者负责迭代求解各单元的速度场和应力场，后者负责处理流动前沿（自由表面）的推进变化。 铸件凝固收缩缺陷的数值模拟 铸钢件（不含石墨）的缩孔缩松判据 铸钢件的收缩缺陷模拟 铸钢件的缩孔缩松形成机理 缩孔，大而集中；缩松，小而分散 原因：液固相间的体积收缩，溶解的气体 形成缩孔还是缩松——枝晶是否形成骨架 铸钢件的缩孔缩松预测 1.等值曲线法 1.1 等固相线法 1.2 临界固相率法 2.收缩量计算法 3.温度梯度法 4.G/R0.5法 等值曲线法 等固相线法 固相线温度作为铸液停止流动和补缩的临界温度，通过等值曲线形成的闭合回路来预测缩孔和缩松的产生。 fs=1 临界固相率法 以铸液停止宏观流动时的固相率作为临界固相率，通过等值线形成的闭合回路来预测缩孔和缩松的产生。 fs=fsc 收缩量计算法 计算每一时间步长内达到临界固相率的所有凝固单元的总收缩体积，如果总收缩体积大于凝固单元总体积，则从冒口或铸件顶部依次减去同凝固单元体积相当的流动单元数，在宏观上表现为冒口或铸件顶部的集中缩孔。 可流动单元的判断 0≤fs ＜ fsc 温度梯度法 计算任意凝固单元在时间步长内于相邻可流动单元之间的温度梯度G（代表流动补缩的驱动力）；取其中最大的温度梯度值Gmax同表征铸液宏观流动和补缩停止的临界温度梯度值Gcrt进行比较，若Gmax ＜ Gcrt ，则该凝固单元将产生收缩缺陷。 G/R0.5法 G/R0.5代表周边单元向该单元补缩的能力 最大的G/R0.5小于临界值时可能产生收缩缺陷 对温度梯度法进行了改进 考虑到铸件形状和尺寸等因素 冷却速度R R=(T’-T)/Δt 球墨铸铁的收缩缺陷模拟 凝固特点 1. 凝固温度范围较宽 2. 粥状凝固 3. 石墨晶核多 4. 凝固收缩与石墨化膨胀共存 5. 石墨化膨胀产生的胀形力容易使铸件外形尺寸增大 球墨铸铁件的缩孔缩松预测 DECAM法（动态膨胀收缩叠加法） 假设条件： 1