铸造数值模拟技术新进展及铸造CAE应用

铸造数值模拟技术新进展及铸造CAE应用

作者：陈立亮刘瑞祥周建新廖敦明

摘要：介绍了目前国际上铸造数值模拟技术的最新进展，包括复杂多相流动、造型/制芯、气化模铸造、半固态铸造以及微观数值模拟技术等。结合“华铸CAE”系统阐述了数值模拟技术（CAE）在铸造生产中的具体应用。

关键词：铸造、数值模拟、应用

一．前言

铸造过程数值模拟技术（CAE）经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说十年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么十年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。九十年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。

作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。本文重点介绍国际上目前该领域的一些新进展，并结合“华铸CAE”系统来说明模拟仿真技术的具体应用。

二．数值模拟技术新进展

1．复杂多相流模拟

多相流是指两种或两种以上的流体同时存在，每相都具有自己的流场但又相互影响的流动。铸造过程的流动实际上就是典型的多相流动，不仅仅只有液相，还包括气相和固相。具体说来，液态金属为液相；卷入性、析出性气体为气相；氧化夹杂、冲掉的砂粒是固相。因此从理论上讲，欲准确模拟铸造的充型过程，就必须研究多相的流动，例如卷气、氧化夹

杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析都离不开多相流的模拟。

复杂流动是指真实的铸造流动是具有紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果将更接近真实的铸造过程。

图1所示即为考虑了紊流、自由表面、传热、附壁效应的气液两相流。从图中可以看出气体的卷入以及气泡的形成过程，并且该技术可以定量描述卷气量。

图1 复杂多相流

图2所示为张力对流动充型过程的影响，模拟计算表明张力对铸造充型，特别是薄壁复杂铸件的充型形貌有重要的影响。

图2 张力对流动过程的影响

2．氧化夹杂的数值模拟

基于复杂多相流以及冶金学理论可以对铸件的氧化夹杂形成过程进行模拟分析，包括一次夹杂的卷入以及二次氧化夹杂的形成过程。目前该领域是国际上研究的热点之一。

图3为二次氧化夹杂形成过程的模拟仿真，图4是某实际压铸件，在压射完毕后，铸件各部位氧化缺陷的预测模拟图，该预测结果与实际情况吻合较好。

3．造型/制芯过程模拟

造型/制芯过程的模拟是近些年来，铸造数值模拟领域的新方向，虽然时间不长，但已取得了可喜的进步。

图5为通用汽车公司某型小轿车缸体水套砂芯射芯过程的模拟结果；下图为该砂芯的实物图。模拟与实验结果非常吻合。

图6 芯子实物照片

初步的应用结果表明，造型/制芯模拟技术可以较好地模拟实际过程，对模具/模板的设计有着重要的指导作用。

4．气化模铸造/气化模模样生成过程模拟

气化模铸造以其特有的优势在西方发达国家的铸造行业占有了越来越重要的地位，一些汽车生产商（如通用汽车公司）已成功利用气化模铸造来生产发动机缸体等复杂铸件。气化模铸造又包括模样的制造以及后续的铸造两大部分，模样的质量直接影响到铸件的最终质量。因此用于模样成型的模具设计就显得非常重要。

数值模拟技术应用于气化模铸造过程也应该能够反应模样制备和浇注成型这两大过程。

图7所示为汽缸盖气化模模样的生成过程模拟结果。响应的实验数据证明了模拟的可信度很高，可以用来优化气化模模具的设计。图8为模样颗粒进入模具型腔，气体被排挤出去的速度分布。图9显示了该缸盖模样的密度分布情况。

图7 模样生成过程模拟

图8 气体排出速度分布图9 模样密度分布分析

图10为气化模铸造浇注过程模拟仿真，可以看出其充填顺序与普通重力铸造有明显的不同。

图10 气化模铸造充型模拟

5．半固态铸造

半固态铸造是目前铸造工作者研究的热点，同样也是铸造数值模拟领域的热点。利用非牛顿触变流体模型可以模拟包括镁、铝合金的半固态铸造。

图11 所示为一发动机支架铸件的半固态合金（Althix 5 billets）的充填过程。对应的常规铝合金（AS7G）压铸充填过程模拟则显示在图12中，可以看出半固态良好的流动、充填性能。图13、14 分别为该铸件半固态成型的实物图和模拟图，两者吻合得很好。

6．微观数值模拟

九十年代以来铸造微观数值模拟成为人们关注的对象，是数值模拟领域研究的前沿。一些模拟方法，包括蒙特卡罗法、自动元胞机法以及相场法等，最近国际上有人采用相场法与Level set技术相结合新途径来研究铸造微观领域。但应该说目前微观数值模拟技术还处于理论研究阶段，离实际应用还有很长的路要走。

上图所示为Beckermann教授等人研究的考虑到晶间对流等影响因素的晶体生长过程的模拟。

三．铸造CAE应用

如前所述，基于数值模拟技术的铸造CAE软件已在众多工厂推广应用。目前，流动充型过程模拟、流动传热耦合计算以及结晶凝固仿真已比较成熟，可以有效指导实际生产。

下面将结合“华铸CAE”系统来介绍铸造CAE技术的具体应用。“华铸CAE”系统是目前国内应用范围最广的铸造模拟仿真系统，已有近90家用户，超过300套软件在各类铸件、各种铸造方式上应用。

1．普通重力铸造

图16 铸件充型过程模拟

上图为某厂缸体，原工艺方案充型过程紊流严重，易形成卷气、夹杂缺陷，优化后的工艺避免了这些问题，实际生产完全证明了上述模拟结果。

图17 铸件凝固过程模拟

图17是某厂生产的下机架铸件，原始工艺方案有较为严重的缩孔缺陷（见图a），采用改进后的工艺完全消除了缩孔缺陷。

2．压力铸造