铸造充型过程的数值模拟

铸造充型过程数值模拟的研究进展

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学院：材料科学与工程

专业：材料工程

学号：20131800103

二○一四年二月

摘要

铸造过程计算机数值模拟技术是当今材料科学的重要前沿领域。本文从铸件充型数值模拟的发展过程、软件的开发状况、计算方法及验证方法等四个方面介绍了国内外铸件充型过程计算机数值模拟的概况。

关键词: 数值模拟; 充型过程; 铸件; 模拟软件

Abstract

The technology of computernumerical simulation on casting process is an importangt frontal field of material science and technolgy.The present foreign and domestic research on compter digital simulation of casting process is summarized in the paper from four respects of evolution of numerical simulation of filling processes of castings,development state of software ,method to calculate and method to prove.

Key words:numerical simulation ;filling process;castings;simulation software

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

一前言 (1)

二数值模拟的国内外发展概况 (1)

三充型过程数值模拟技术新进展 (3)

四铸造模拟软件的开发状况 (3)

五充型过程数值模拟的计算方法 (4)

4.1充型过程液体流动的数值模拟 (4)

4.2 充型过程卷入缺陷的数值模拟 (5)

六充型过程实验研究 (6)

七结论与展望 (7)

参考文献 (8)

1 前言

铸件充型过程数值模拟是随着电子计算机技术的飞速发展而发展起来的一种现代铸造工艺研究方法。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能较快、较深入地揭示出铸件质量的内在规律，可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，克服了铸造工业长期存在的试制周期长、铸件成本高、铸件质量难以控制等缺点，对于指导工艺设计和消化国外先进工艺具有重要意义。此项技术已应用于生产实际，并取得了显著的效益。

2 数值模拟的国内外发展概况

与凝固过程计算机模拟相比，计算机模拟在充型过程的起步较晚，不是人们没有认识到它的必要性,而是这一问题更为复杂。由于充型过程的流场和温度场的计算需要确定任一时刻自由表面的状况，而液态金属的充型过程是湍流流动，充型时间很短, 并伴有传热现象，使流场和温度场处于变化之中，且有相互影响，在流场区域不断扩大的同时，自由表面的位置和位向也在不断的变化; 此外,型腔内气体的背压力、金属液与铸型间的热阻、型壁状况、入流条件、结晶潜热及固相率等都影响充型过程，使充型过程的计算机模拟成为一个相当复杂的数值模拟问题。到上世纪8 0年代充型过程才刚刚起步。

80年代初，台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与R.A.Stoehr教授一起首先将流体力学计算的研究成果用于解决铸造充型问题，开辟了充型过程研究的新领域。

1987年前是充型过程计算机模拟的初始发展阶段。模拟基本上限于二维板类铸件, 并假设在充型过程液态金属处于层流流动，这些模拟技术尚不能指导大多数实际铸件的工艺设计。尽管如此，上述先驱者们的工作开拓了充型过程研究的新领域，奠定了充型过程计算机模拟的基础。

1988年后，充型模拟进入了蓬勃发展阶段，模拟技术不断完善。在流体计算中引入了能量守恒方程，进行了流场、温度场耦合模拟，并开发出一套有传热的充型过程流体流动的计算模型，但这只是一个考虑比较全面的二维模拟。他们还考虑了湍流和传热问题，并通过修正比热考虑了凝固潜热的作用。

1989年，L i nHJ和黄文星把MAC和SOLA法结合在一起研究三维流动问题。此后, 充型过程数值模拟进入了三维时代。人们还认识到层流、湍流、非牛顿流体的流

动差异，并尝试将宏观的传热、传质、传动量与微观的生核、长大过程联系在一起，取得了一定的成果。

近年来先后开发出的各种充型过程三维数学模型和计算方法普遍存在的问题是流场、压力场计算的效率低，并且大多数仅适用于能将铸件剖分为规则网格的情况。针对这些问题，J.L.Y e n在流场计算中引入了不规则网格，用CMG法提高压力迭代效率，结果使计算速度、计算精度得到明显的提高。此外，对铸件充型过程的数值模拟还考虑了内浇道入流速度、型腔内气体的反压力、型壁状况、表面张力、界面热阻等对充型过程速度分布和温度分布的影响。

1993年，清华大学的荆涛、柳百成用SO-LA-VOF法对充型过程进行了模拟，并研究了充型过程对浇注完成后铸型内初始温度场的影响。

1994年，沈阳铸造研究所与香港理工大学合作，运用SIMPLE算法结合SMAC法对板类和套类压铸件充型过程中型腔内金属液流动进行了计算机模拟，还以水利充型试验对上述模拟结果进行了验证。

1995年，华中理工大学的陈立亮等人在分析气化模充型的传热、传质规律的基础上，提出了一套关于气化模充填的三维数学模型，并开发了适用于微机的充填过程模拟软件。

1996年，华中理工大学的袁浩扬等人以SO-LA-VOF法为基础，结合他们提出的三维自由表面边界速度确定方法，实现了铸造充型流动过程的三维数值模拟。同年，西安交通大学的蔡临宁等人用PHONEICSCFD软件做主模块，配以VanLeer法解析守恒标量方程的子模块，对三维型腔充填过程进行了数值模拟，并对二维流动问题的层流模型和紊流模型进行了比较。

1997年，清华大学、秦皇岛戴卡公司和一汽共同针对铸造中遇到的回转类铸件,开发出基于柱坐标系的充型与凝固模拟软件系统，有效地解决了基于直角坐标系的模拟软件在处理回转类铸件、尤其是薄壁铸件的网格剖分结果不对称，模拟结果局部失真等问题。

1998年，哈尔滨工业大学的孙小波等人采用直接差分法建立的液态金属充型及传热耦合计算的数值模型适用于不规则单元网格模型的充型及传热模拟计算，能较好地处理具有复杂几何形状铸件的充型过程速度场和温度场耦合模拟，并在上述数值模型基础上开发了充型过程三维模拟计算程序FT3D模块。沈阳铸造研究所的孙逊等人将流体湍流流动计算技术和自由表面处理技术应用于液态金属充型过程数值模拟计算，