铸造凝固过程宏观偏析数值模拟研究
铸造凝固过程数值模拟
铸造凝固过程数值模拟-简介1.铸造凝固过程数值模拟1.1 概述在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。
凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程数值模拟可以实现下述目的：1）预知凝固时间以便预测生产率。
2）预知开箱时间。
3）预测缩孔和缩松。
4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。
5）控制凝固条件。
6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。
4铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。
之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。
这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。
于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。
1.2 数学模型的建立和程序设计液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。
在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。
从传热方式看，这一散热过程是按导热，对流及辐射三种方式综合进行的。
显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。
当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。
因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。
但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。
基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。
温度场的数值模拟在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。
英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。
凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。
通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。
具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。
这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。
2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。
数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。
3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。
通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。
4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。
这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。
通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。
铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展
铝合金铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展柳百成，熊守美，许庆彦摘要：使用数值方法来提高计算效率，并对于扩展铝压铸工艺的凝固和充模的计算规模进行了研究。
也对于成型充填模拟的并行计算方法进行了研究，同时对于凝固模拟，隐式有限差分方法和瞬态面层的概念也进行了研究。
另外，修改后的元胞自动机方法被用来模拟的微观结构形成的过程和铝合金的演变，其中包括的晶粒结构和树枝状微观结构。
实验结果表明，文章中的模型合理的描述了组织形成的过程和演化。
DOI: 10.1007/s11663-007-9073-y© The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007I. 简介铝合金铸造起在汽车，航空航天，电子等行业重要的作用。
虽然每年的铸造生产在中国是1988万吨，在世界在2004年的第一个位置，铝合金铸件所占比例仍然很低，比发达国家要低8~10%。
由于制造业，尤其是汽车行业的快速发展，据预测，铝合金铸件将显著在未来几年增加。
建模和仿真将是一个非常重要的工具，以优化的铸造过程中，缩短前置时间，以保证质量，并同时能够提高铝合金铸件的力学性能。
因为高压压铸是一种主要的铝合金铸件近终形铸造技术，在这篇文章中，通过使用并行计算技术，对模具填充的数值模拟和高压压铸过程的热传递进行了研究，特别是考虑到复杂的循环特性和计算效率的提高。
此外，晶粒结构在铝合金铸件性能和机械性能起重要的作用。
许多的方式，包括确定性模型，相场法，元胞自动机（CA ）的方法等，已经对晶粒结构的凝固过程进行了预测。
在这篇文章中，修改后的CA 方法对铝合金铸件凝固过程中晶粒演变的模拟提供了发展。
II. 应用并行计算技术的压铸工艺充型模拟通常，铸造工艺的压力条件下，熔融金属流被视为粘性湍流和具有恒定特性的可压缩流体。
根据质量，动量，能量和湍流量的守恒，在笛卡尔守恒方程的一般形式的坐标系可表示如下：()()()[1]j j j jS t x x x φφφρφρμφ∂∂∂∂+=Γ+∂∂∂∂这种求解算法（SOLA ）被广泛应用于求解流体容积（VOF ）方程来处理液体熔体的自由表面。
碳钢连铸坯凝固过程溶质再分配及宏观偏析的研究
在碳钢连铸中，由于溶质元素在固相和液相
温宏权 博士 １９６９年生 １９９８年毕业于上海大学 现从事钢铁冶金专业 电话 ２６６４８７４９ Ｅｍａｉｌ ｈｑｗｅｎ＠ｂａｏｓｔｅｅｌ．ｃｏｍ
本文在修正的谢尔模型基础上，理论计算并 分析碳钢连铸过程中凝固参数、钢水流动、合金成 分等 对 铸 坯 宏 观 偏 析 的 影 响，探 讨 电 磁 搅 拌 时 “白亮带”偏析的形成机理，目的是寻找抑制铸坯 中心偏析的实际对策。
中图分类号：ＴＦ７７７．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８－０７１６（２０１９）０４－００４５－０５ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０７１６．２０１９．０４．０１０
Ｓｏｌｕｔｅｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｍａｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎｉｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌｓｌａｂｄｕｒｉｎｇｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ
中的溶解度不同，铸坯横截面上存在着化学成分 分布不均匀现象，即成分偏析。一般来说，钢铸件 凝固组织 中 枝 晶 间 （微 米 级 ）的 显 微 偏 析 通 过 长 时间的高温均匀化热处理基本上可以消除；而宏 观偏析即使经过充分变形、热处理也仍然难以彻
４６
宝 钢 技 术
２０１９年第 ４期
底去除。宏观偏析会显著降低钢铁产品机械性能 和抗腐蚀性能的均匀性，与伴随的 ＭｎＳ夹杂物沉 淀、中心裂纹等缺陷一起，严重影响钢坯的铸造质 量及后续加工和使用性能。按照分布形态的不 同，铸坯宏 观 偏 析 可 分 为 中 心 线 状 偏 析、Ｖ型 偏 析、Ｕ型偏析等。
２０１９年第 ４期
大圆坯连铸宏观偏析形成过程的数值模拟
大圆坯连铸宏观偏析形成过程的数值模拟
李曜光;陈卫强;曹学欠;樊伟亮
【期刊名称】《炼钢》
【年(卷),期】2024(40)3
【摘要】针对Φ785 mm立式连铸大圆坯,建立了流动、传热、凝固、传质三维耦合模型。
通过该模型预测了从弯月面到完全凝固范围内铸坯溶质元素的分布情况,研究了大圆坯宏观偏析形成过程。
模拟结果表明:连铸前期钢液对凝固前沿的溶质冲刷效应是铸坯表面区域出现明显负偏析带的主要原因;随着钢液的不断凝固,铸坯中心区域残余液相的溶质元素不断富集,最终导致了中心偏析的产生,C元素中心最大正偏析指数为1.08;另外,不同溶质元素宏观偏析严重程度有所不同,但呈现出的分布趋势基本相同。
【总页数】10页(P56-65)
【作者】李曜光;陈卫强;曹学欠;樊伟亮
【作者单位】中冶京诚工程技术有限公司炼钢工程技术所
【正文语种】中文
【中图分类】TF777.5
【相关文献】
1.连铸坯凝固过程中传输现象基础知识系列讲座：第十讲连铸坯的区域宏观偏析
2.大圆坯连铸凝固传热过程的数值模拟
3.高碳钢连铸坯凝固过程溶质宏观偏析的数
值模型4.小方坯齿轮钢连铸过程中的宏观偏析模拟5.大圆坯连铸传热过程的数值模拟
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连铸坯宏观偏析数学模型的研究思路
连铸坯微观及宏观偏析数学模型的研究现状冯 科 徐楚韶 陈登福（重庆大学材料科学与工程学院）摘要 从宏观偏析理论的两个基础问题（微观偏析及树枝晶间液相流动）入手，采用溶质分配理论并结合传热模型对连铸坯宏观偏析的定量解析方法进行了研究，探讨了建立宏观偏析数学模型的思路。
1 前言连铸坯中典型的宏观偏析是平衡分配因数1<k 的溶质元素在铸坯中心线上的富集（即中心偏析），这已为大量实验和生产实践所证明[1-2]。
究其形成的主要原因，不外乎以下两个因素：① 凝固过程的枝晶生长方式（连铸坯的冷却属于定向强制冷却，但冷却速度并不是很大，其凝固过程可视为近平衡凝固，钢中合金元素的再分配过程按照定向枝晶凝固进行）；② 铸坯横断面液芯内富集溶质液相的流动（伴随凝固过程的体积收缩与凝固末期较大的钢水静压力及坯壳鼓肚都将导致枝晶间浓化液体的流动）。
连铸坯在凝固过程中的偏析行为对其内在质量有着较大的影响，尤其是对于一些质量要求较高的高碳合金钢来说。
因此本文将分别讨论定量宏观偏析理论的两个基础性问题，即微观偏析理论和两相区内枝晶间的液相流动。
并以此为基础，结合连铸传热模型对建立连铸坯宏观偏析数学模型的思路进行了研究，以期在理论上对具体工艺条件下连铸坯横断面上的溶质分配状况进行正确的预测以及将铸机工艺、设备参数与铸坯偏析行为及凝固组织的微观结构有机地联系起来。
2 微观偏析理论2.1 微观偏析的定义微观偏析（也称为显微偏析）是指溶质元素在树枝干与枝晶间分布的不均匀性（通常枝干浓度是均匀的，而枝晶间的溶质浓度变化较大），根据该元素在枝晶间的平均浓度与在枝干上的平均浓度之比值可确定出其平均枝晶偏析系数，在实验室中可以采用低倍浸蚀、硫印和放射性同位素等方法对其进行测试。
2.2 枝晶微观结构及其预测在实际连铸生产条件下，金属合金常在树枝晶界面下凝固，树枝晶结构的特征尺寸包括一次枝晶臂间距1λ和二次枝晶臂间距2λ，其大小是铸坯结构细化程度的标志，其中后者与微观偏析效果密切相关。
铸件凝固过程数值模拟的新进展
在处理奥氏体生长过程时
,Fras[ 4 ]等人采用了不
同于
Goettsch和
Dantzig的作法
,Fras等人认为奥氏
体枝晶的生长贯穿整个凝固过程
,并分别采用
:
xE = 1 -exp (-xe) (5)
xD = 1 -exp (-xd)= 1 -exp (-fix) (6)
μeΔTe
将共晶团内片层间距与晶粒半径相联系的模拟研究。
式
(9)中
,ε是共晶团的片层系数
;ΔTe是共晶生长的
—35 —
. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
以模拟铸件凝固过程中温度场变化规律为基础
内容的数值模拟
,如今已被许多学者称之为铸件凝固
过程的宏观模拟
(Macro2Modelling) [1～4]。铸件凝固
过程的宏观模拟经
30多年的不断发展
,目前已是成
熟技术
,它可以预测与铸件温度场直接相关的铸件的
宏观缺陷
,如
,有学者
[7、8 ]提出
:球墨铸铁凝固
的传统理论可能是不正确的。
在铸件凝固过程微观模拟的早期研究中
,研究者
们皆采用了完全形成共晶组织的合金或完全形成枝
晶组织的合金
,并且都是针对形状简单的小试样
(Biot数
< 0. 1)进行模拟研究的。显然
,这与实际铸
件的情况有很大差异
Rappaz对定向凝固的灰
铸造工艺中的数值模拟与优化研究
铸造工艺中的数值模拟与优化研究第一章：引言铸造工艺是制造业中一项重要的制造技术，它涉及到金属材料的熔化、铸型和凝固等过程。
随着现代科学技术的不断发展，数值模拟与优化研究成为铸造工艺改进的重要手段。
本文将从数值模拟和优化两个方面进行研究，以探索如何利用现代技术提高铸造工艺的效率和质量。
第二章：数值模拟在铸造工艺中的应用数值模拟是通过使用计算机模拟铸造过程中的物理现象和工艺参数，以预测和改进铸造工艺的一种方法。
在铸造过程中，流体力学、传热学和固相变化等多种物理现象相互作用，对铸件的性能和质量产生重要影响。
利用数值模拟方法可以定量地解决这些问题，并优化铸造工艺参数。
3.1 流体力学模拟铸造过程中，熔融金属流动的方式和路径对铸件质量和内部缺陷的形成有重要影响。
数值模拟可以利用计算流体力学（CFD）方法，分析流动行为、温度分布和气体冲击等因素，并通过调整浇注方式、浇注温度和铸型设计等工艺参数，优化铸造工艺，减少缺陷的产生。
3.2 传热学模拟铸造过程中的热传递对铸件的凝固和晶粒生长等过程起着重要作用。
数值模拟可以使用传热学模拟方法，分析热能在铸件中的分布和传递方式，进而优化冷却方式、浇注温度和浇注速度等工艺参数，控制铸件的凝固过程，改善铸件的组织和性能。
3.3 固相变化模拟铸造过程中，熔融金属的凝固过程会引起固态相变。
数值模拟可以模拟和预测这些相变过程，通过调整铸造参数，使固态相变能够更加均匀地进行，从而提高铸件的力学性能和组织均匀性。
第三章：优化方法在铸造工艺中的应用优化方法是指通过数学模型和算法，寻找最优解或接近最优解的一种方法。
在铸造工艺中，优化方法可以应用于铸造工艺参数的调整和铸造工艺方案的选择。
4.1 参数优化在铸造工艺中，有许多参数需要进行调整，如浇注温度、浇注速度、尺寸设计等。
优化方法可以通过建立数学模型，以最小化铸件的缺陷和提高铸件的性能为目标，确定最优的工艺参数。
4.2 工艺方案优化铸造工艺方案的选择对于铸件的质量和产能起着决定性作用。
凝固过程数值模拟
必须解决问题：
（1）铸型瞬态区域厚度的计算 （2）非均匀网格 （3）内部计算区域的标识 （4）不同区域采用不同时间步长
2015/11/13
铸件缩孔和缩松的形成原因
• 1、铸件结构方面的原因 • 2、熔炼方面的原因 • 3、工艺设计的原因
缩孔的预测
缩孔预测中主要是预测出缩孔的形状、位置大小以及所在的 位置
2015/11/13
铸件凝固模拟计算区域优化
分区计算的基本思想源于压铸过程的数值模拟研究中Barone和 Caulk提出的“瞬态层”的概念
压铸模具瞬态层示意图
分区计算的作用就是可以大大提高凝固模拟的计算效率
2015/11/13
分区域计算的实现
分区计算的核心内容：
是实现不同的区域采用不同的网格尺寸和不同的时间
铸件凝固过程数值模拟
• 主 讲 人 ：贺腾博 • 小组成员：黄萍、徐晓欢、贺腾博、韩丽 梅、刘靓
铸件凝固过程
图1：斧锤型铸件
图2：新山英铺的模拟结果
铸件凝固过程数值模拟的任务
数学模型
数值求解
缺陷位置
凝固规律
铸 件 凝 固 过 程 数 值 模 拟 流 程 图
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铸件的凝固过程基本上可以认为是一个不稳定的 导热过程
t+Δ t
t t-Δ t
热流密度矢量
q gradt
温 度 场
• 温度场模拟是预测缩孔缩松形成，微观组织形
成以及热烈变形等的基础；
• 温度场计算的正确性取决于初始条件，边界条
件，热物性参数，合理的潜热处理等方法。
控制方程
凝固导热过程中，温度、时间和空间的关系可用傅里叶导热 方程描述即：
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告
哈尔滨工业大学《材料加工过程数值模拟基础》实验课程铸件充型凝固过程数值模拟实验报告姓名：学号：班级：材料科学与工程学院铸件充型凝固过程数值模拟实验报告实验一：铸件凝固过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。
二、实验原理1．有限差分法温度场模拟的基本思路：设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。
2．有限差分法温度场模拟的数学模型：222222T T T T L C t x y z t三、铸件凝固模拟过程及参数设置1．凝固模拟过程铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。
2．参数设置铸件材质：AC1B铸型材质：SM20C初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。
边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2∙K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2∙K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2∙K)。
四、模拟结果图1 冷却时间由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。
由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。
内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩，则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。
图2 冷却率由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。
由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的产生，合理布置冷却水管的分布位置。
实验二：铸件充型过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法流动场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行流动场模拟的方法。
铸件充型凝固过程数值模拟
铸件充型凝固过程数值模拟2.1 概述欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。
数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。
铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件力学性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。
数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。
目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验方法。
2.2 数学模型熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。
该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。
质量守恒方程∂ u/∂ x+∂ v/∂ y+∂ w/∂ z= 0 (2-1) 动量守恒方程∂（ρ u）/∂t +u ∂（ρ u）/∂ x +v ∂（ρ u）/∂ y +w ∂（ρ u）/∂z= -∂ p/∂ x +μ(∂2u/∂ x2 +∂2v/∂y2 +∂ 2w/∂ z2)+ ρ g x (2-2a) ∂（ρ v）/∂ t +u∂（ρ v）/∂ x +v∂（ρ v）/∂ y +w∂（ρ v）/∂z= -∂ p/∂y+μ (∂2u/∂x2+∂2v/∂y2+∂ 2w/∂ z2)+ρ g y (2-2b) ∂（ρ w）/∂ t +u∂（ρ w）/∂x +v∂（ρ w）/∂ y +w∂（ρ w）/∂ z = -∂ p/∂z+μ (∂2u/∂ x2+∂2v/∂ y2+∂ 2w/∂z2)+ρ g z (2-2c)体积函数方程∂F/∂ t+∂（Fu）/∂ x+∂（Fv）/∂y +∂（Fw）/∂z= 0 (2-3)能量守恒方程∂（ρc p T）/∂t+∂（ρ c p u T）/∂x+∂（ρ c p v T）/∂ y +∂（ρ c p w T）/∂ z= ∂（λT/∂x）/∂x+∂（λT/∂ y）/∂ y +∂（λT/∂ z）/∂ z +q v(2-4)式中u,v,w —— x, y, z 方向速度分量(m/s)；ρ——金属液密度(kg/m3)；t ——时间(s)；p ——金属液体内压力(Pa)；μ——金属液分子动力粘度（Pa.s）；g x, g y, g z —— x, y, z 方向重力加速度(m/s2)；F ——体积函数，0≤F≤1；c p ——金属液比热容[J/(kg.K)]；T ——金属液温度(K)；λ——金属液热导率[W/(m.K)]；q——热源项[J/(m3.s)]。
科技成果——大型铸件、铸锭成形过程宏微观模拟仿真与检测
科技成果——大型铸件、铸锭成形过程宏微观模拟仿真与检测技术开发单位清华大学适用范围大型铸锻件的生产技术内容大型铸锻件是能源、矿山、冶金、海洋工程、国防等领域重大装备的重要基础零部件，是关系着国家经济发展和战略安全的重要产品。
我国重大装备需要的大型铸钢件和大型锻件用钢锭的重量、尺寸、数量和质量不断创纪录。
大型铸钢件和大型钢锭属于“极端制造”，其截面尺寸大，凝固时间长，铸态组织粗大，宏观偏析严重。
而大型铸钢件和大型铸锭的制造工艺和缺陷控制主要依赖经验，因此存在产品质量不稳定、生产粗放、材料利用率低、生产效率低等问题，导致大型铸件、大型铸锭都难以满足我国重大工程项目建设的需求，长期以来是我国重大装备制造的瓶颈。
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》也将极端环境下的制造科学列为未来5-15年优先发展的前沿方向之一。
针对大型铸钢件的特点，首次开发了大型铸钢件铸造和热处理全过程的宏微观模拟仿真技术，微观组织模型考虑了铸钢凝固及后续冷却及热处理加热、保温、冷却的相变全过程，结合实际生产考虑了工艺环节之间的关联性和微观组织的传承性。
针对大型钢锭及其材质的特点，首次建立了多元多相多场耦合的大型钢锭宏观偏析预测模型，考虑了多合金元素的交互影响、等轴晶沉降、凝固过程的收缩引起的钢水流动、实现了温度场和流场的耦合、液相、气相和固相的耦合，考虑了等轴晶的生长对流动的影响等因素；利用合理的反偏析，解决了600t级大型钢锭的宏观偏析预测问题和偏析控制问题。
铸件凝固后的冒口强制冷却思想，系国内外首次提出，创造性地提出将凝固过程中起补缩通道和传热通道变为相反的冷却通道，从而实现铸件的均衡快速冷却，不仅显著提高冷却效率，更重要地是显著提高铸件的性能和显著降低铸件的应力水平，从而显著降低变形和冷裂倾向。
掌握了耐高温摄像头的关键参数，采用耐高温摄像头实现了钢水的直接观测，这以前没有，解决了铸造中几千年来睁着眼睛造型，闭着眼睛浇注的局面。
铸件凝固过程数值模拟
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，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。
铸造过程数值模拟综合实验说明书
铸造过程数值模拟综合实验前言一、铸造过程数值模拟的来源、内容和意义为了生产出合格的铸件，就要对影响其形成的因素进行有效的控制。
铸件的形成主要经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到液态金属充型流动、金属凝固和冷却收缩、高温金属冷却和收缩3种物理现象。
在充型过程中，流场、温度场和浓度场同时变化，凝固时伴随着温度场的变化的同时存在着枝晶间对流和收缩现象；收缩则导致应力场的变化。
与流动相关的主要缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；充型中形成的温度场分布直接关系到后续的凝固冷却过程；充型中形成的浓度场分布与后续的冷却凝固形成的偏析和组织不均匀有关。
凝固过程的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因，枝晶间对流和枝晶收缩是微观缩松的直接原因，热裂冷裂的形成归因于应力场的变化。
可见，客观地反映不同阶段的场的变化，并加以有效的控制，是获得合格铸件的充要条件。
传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统——铸造工艺的局限性表现在：1）只是定性分析；2）要反复试制才能确定工艺。
铸造过程数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行数值解析以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容主要包括温度场、流场、浓度场、应力场等的计算模拟。
二、铸造过程数值模拟原理铸造过程数值模拟技术的实质是对铸件成型系统（包括铸件—型芯—铸型等）进行几何上的有限离散，在物理模型的支持下，通过数值计算来分析铸造过程有关物理场的变化特点，并结合铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。
数值解法的一般步骤是：1）汇集给定问题的单值性条件，即研究对象的几何条件、物理条件、初始条件和边界条件等。
2）将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理。
3）建立内部节点（或单元）和边界节点（或单元）的数值方程。
4）选用适当的计算方法求解线性代数方程组。
5）编程计算。
其中，核心部分是数值方程的建立。
42CrMo环件铸造凝固过程的数值模拟与实验研究开题报告
42CrMo环件铸造凝固过程的数值模拟与实验研究开题报告1. 研究背景和意义42CrMo钢是一种广泛应用于制造工程机械、石油设备和航天航空领域的高强度钢。
在其制造过程中，环件铸造是一种常见的工艺，其质量直接影响了最终产品的性能和可靠性。
因此，研究42CrMo环件铸造凝固过程的数值模拟与实验，对于提高产品质量、降低制造成本具有重要意义。
2. 研究内容和目标本研究旨在通过对42CrMo环件铸造凝固过程进行数值模拟与实验研究，探究其凝固过程中的温度分布、应力变化和变形情况，从而优化该工艺流程，提高产品质量和制造效率。
具体研究内容包括：（1）建立42CrMo环件铸造凝固模型，并采用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟计算。
（2）设计合理的实验方案，对模拟结果进行验证和修正，获取准确的温度、应力和变形数据。
（3）对数值模拟和实验结果进行分析，确定其对铸造质量的影响及优化方向。
（4）提出相应的优化策略和措施，并进行试验验证。
3. 研究方法（1）数值模拟方法：建立42CrMo环件铸造凝固模型，采用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟计算，分析其温度分布、应力变化和变形情况。
（2）实验方法：设计合理的实验方案，通过测量温度、应力和变形数据，验证和修正模拟结果，获取准确的实验数据。
（3）分析方法：对数值模拟和实验结果进行分析，确定其对铸造质量的影响及优化方向，提出相应的优化策略和措施，并进行试验验证。
4. 研究进展和计划目前已经完成42CrMo环件铸造凝固模型的建立和数值模拟计算，并初步获得了温度、应力和变形数据。
下一步将进行实验验证和数据分析，以确定模拟结果的可靠性，并对铸造质量的优化方向进行初步探索。
预计在接下来的1-2年内完成整个研究任务，撰写相关论文并进行发表。
连铸坯微观及宏观偏析数学模型的研究进展_冯科
连铸坯微观及宏观偏析数学模型的研究进展冯 科 徐楚韶 陈登福 孙海峰(重庆大学材料科学与工程学院,重庆400044)摘 要 对连铸坯微观和宏观偏析模型及树枝晶间液相流动的研究进展进行了评述,采用近平衡凝固过程溶质再分配理论并结合连铸传热数学模型对连铸坯微观及宏观偏析的定量解析方法进行了分析。
关键词 连铸坯 枝晶凝固 微观偏析 宏观偏析Advance in Research on Mathematic Model of Micro -andMacrosegregation in Concasting BilletFeng Ke,Xu Chushao,Chen Dengfu and Sun Haifeng(College of Material Science and Engineeri ng ,Chongqing Uni versity,Chongqing 400044)Abstract The advance i n research on mathematic model of micro -and macrosegregation and interdendri tic flowing of liquid phase has been reviewed.And the quantitative resolution method in concasting billet is analyzed by solute redistribu -tion theory during near -equilibriu m solidification and concas ting heat transfer model.M aterial Index Concasting Billet,Dendritic Solidification,M icrosegregation,Macrosegregation连铸坯中典型的宏观偏析是平衡溶质分配因数k<1的溶质元素在铸坯中心线上的富集(即中心正偏析),这已为大量实验和生产实践所证明[1~4]。
铝合金铸造充型凝固数值模拟的研究现状与发展
金属铸锻焊技术 Casting ·Forging ·Welding上半月出版随着计算机技术的飞速发展 , 铝合金的铸造发展步入了计算机数值模拟时代。
利用高性能的计算机 , 铸造工厂和工程师可以对铝合金铸造过程进行仿真模拟 , 在实际生产前对铸造工艺参数进行验证或优化 , 对铸造结果和缺陷可以做到预先的了解 , 从而可以大大缩短工艺试验周期、确保铸件质量、提高工艺出品率、降低生产成本和废品损失 , 对实际生产有着极高的使用价值 [1]。
铝合金铸造过程中的充型凝固过程对产品的质量和性能起着至关重要的作用 , 国内外的学者经过数十年的研究 , 取得了很大的进展。
1铝合金铸件充型过程数值模拟与算法铝合金的铸造缺陷如浇不足、卷气、缩松缩孔等都与液态金属的充型过程有关 , 因此对充型过程进行数值模拟非常必要。
金属液充型过程的流动过程非常复杂 , 准确描述金属液的流动是对流场进行模拟的关键 , 为此国内外的学者提出了很多有意义的计算方法 , 以期能够准确地对金属液的充型流动进行描述 , 最终达到对过程分析的目的。
从 20世纪 60年代开始 , 国内外学者对铸件的充型过程进行了大量的研究 , 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程使用化方面均取得了重大突破 [2]。
1972年由 Minnesota 大学的 Patankar 和 Spalding 提出了 SIMPLE 算法 , 该算法是对利用质量守恒方程使假定的压力场能不断地随迭代过程进行的改进 , 在不可压缩流体的动量方程数值铝合金铸造充型凝固数值模拟的研究现状与发展康道安 1, 杨屹 1, 吴敏 2, 邵京城 2, 卢东 1, 曾斌 1(1.四川大学制造科学与工程学院 , 四川成都 610065; 2. 湖北 3611机械厂 , 湖北襄樊 441002摘要 :铸造过程的计算机数值模拟是当前重要的研究方向 , 而铸件的充型凝固过程是整个模拟过程中的难点之一。
铸锭宏观偏析数值模拟方法[发明专利]
![铸锭宏观偏析数值模拟方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/22e1332f5fbfc77da269b1fd.png)
专利名称：铸锭宏观偏析数值模拟方法专利类型：发明专利
发明人：刘东戎
申请号：CN201510346060.3
申请日：20150619
公开号：CN104881588A
公开日：
20150902
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：铸锭宏观偏析数值模拟方法，属于宏观偏析预测领域。
现有的宏观偏析计算中不能精确预测不同物理机制综合作用下宏观偏析形成的问题。
铸锭宏观偏析数值模拟方法，将铸锭系统进行宏观尺度网格剖分形成一系列计算网格，设定铸锭系统中夹杂物在铸锭网格的位置；针对铸锭网格，通过能量守恒方程、成分守恒方程、动量守恒方程和质量守恒方程，分别获得夹杂物速度的分布、铸锭内温度的分布和铸锭内平均成分的分布；计算夹杂物的运动速度；针对除铸锭网格以外所有计算网格，计算铸型网格的能量守恒方程，获得铸型网格内部温度的分布；直到凝固结束，输出铸锭内平均成分的分布。
本发明准确的预测偏析形成，适用于各类尺寸的砂型和金属型中宏观偏析的预测。
申请人：哈尔滨理工大学
地址：150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：杨立超
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大型铸锭宏观偏析数值模拟代码
大型铸锭宏观偏析数值模拟代码
本程序是基于宏观偏析模拟的大型铸锭数值模拟代码，采用C++语言编写而成。
具体实现细节如下：
1.数据输入：
程序首先读入铸锭的尺寸、材料参数、铸造条件等相关参数。
2.空间离散化：
将铸锭几何形状进行离散化，并按照某种网格方式生成离散网格，生成离散矩阵。
3.时间离散化：
按照设定时间步长对铸锭进行时间离散化。
4.传热方程离散化：
通过有限差分法对传热方程进行离散化，得到传热方程的差分矩阵。
5.温度场求解：
按照时间步长迭代计算各个离散点的温度，并进行相邻节点之间的温度交换，得到整个铸锭的温度分布。
6.应力场求解：
在温度场的基础上，计算铸锭的应力分布，采用弹性力学原理进行计算。
7.应变场计算：
利用应力场的信息，进一步计算铸锭在铸造过程中的应变分布。
8.铸锭状态检测：
检测铸锭的各个状态参数，包括温度分布、应力分布、应变分布等，并进行输出。
该程序可有效模拟铸锭铸造过程中的物理现象，为铸造工艺优化提供了有力支持。
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流 动和微 观 尺度 上过冷 、 形核、 晶粒长 大等 因素 。 模 型 中采用 的基 本 假 设 如 下 ： （ １ ） 模 型 中基 本 动
力学 相 为 固相 和 液 相 ； （ ２ ） 对 于 固相 晶粒 的形 核
采用三参数异质形核模 型， 而固相 晶粒 的生长采
用溶 质扩 散 控 制 的 晶粒 生 长 机 制 ； （ ３ ） 当 固相 分 数低 于 临界 固相 分 数 时 ， 固 相 以球 状 等 轴 晶 的形 貌存 在 ， 反之 ， 则 将 固 相视 为 柱 状 晶 ； （ ４ ） 模 型 中
宏 观偏 析是 指宏 观 尺度上 的溶质元 素 的不均 匀分布 ， 是 铸造 凝 固过程 中经 常产 生 的重要 缺 陷 。 大 型铸 件 和铸 锭 由于尺 寸大 ， 凝 固时 间长 ， 宏 观偏 析 更 为严重 。宏 观偏 析严 重影 响 了材料 的使 用性 能， 易造 成 重 大损 失 。 目前 普 遍 认 为 宏 观偏 析 的 形 成原 因主要是 由于溶质 富集 的液 相 和溶质 匮乏 的 固相 之 间 的相 对运 动 。这种 相对 运动 来 自于 自 然对 流 ， 等轴 晶沉 降 ， 补缩 流等 多个 方 面 Ｊ 。宏 观偏 析 的形 成本 质 上 是 一 个 多相 多 尺度 问题 ， 这
《 大型铸锻件》
ＨＥＡ ＶＹ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ Ｉ ＮＧ Ａ ＮＤ Ｆ ＯＲＧＩ ＮＣ
Ｎｏ． ２ Ｍａ ｒ ｃ ｈ ２ ０１ ４
… ◆ …’ ◆…。 ◆ …。 ◆ …。 ◆ …‘ ◆ …‘
试 验 研 究
…ｌ ◆ …Ｉ ◆川ｌ ◆…ｌ ◆ …ｌ ◆…ｌ ◆ …ｌ
铸 造 凝 固过 程 宏 观 偏 析 数值 模 拟研 究
和实验结果 吻合 较好 。
关键词 ： 铸造凝 固过程 ； 宏观偏析 ； 数值模拟
中图分 类号 ： ０ ２ ４ ２ ． １ 文献标 志码 ： Ａ
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｓ ｏ ｎ Ｍａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｅ ｇ ｒ ｅ ｇ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ
涂武涛 沈 厚发 柳 百成
（ 清华 大学材料 加工 系 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ） 摘要 ： 宏观偏析普遍存在 于铸造合金 凝固过程 中， 严重影 响了材料的使用性能。本文利用宏观偏析 数学模 型， 分别对 ５ ３ ｔ 钢锭 和 ５ ０ ０ ｔ 铸件宏 观偏析进行数值 模拟研究 。模型考虑 了凝 固收缩与 等轴 晶沉降 ， 模 拟结果
除 了动量 守恒 方 程 中的密 度采 用 Ｂ ｏ ｕ ｓ ｓ ｉ ｎ ｅ ｓ ｑ假设
给宏观偏析的研究带来极大困难。数值模拟方法
作 为实验 手段 的重 要 补 充 ， 可 以 获 得 实验 方 法 难
以外 ， 固液相密度均视为相等 ； （ ５ ） 固液相问的粘 滞力 采用 Ｇ ｉ ｄ ａ ｓ ｐ ｏ ｗ模 型 。数 学 模 型 的 控 制 方 程