一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法及系统与流程

本发明属于铸造过程数值模拟与工艺优化，具体涉及一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法及系统。

背景技术：

1、在高温合金精密铸造中，显微疏松和皮下孔隙会降低铸件的致密性与服役可靠性。对于过渡段、导向叶片、机匣等厚薄差异明显或具有环-辐板交汇结构的铸件，缺陷常出现在局部热节及末端补缩通道易封闭的区域。该类缺陷尺寸小、分布离散，通常需结合荧光渗透、射线检测或金相结果综合判定；检测发现超差后往往需要返修，严重时造成报废。

2、现有技术至少存在以下几方面不足：

3、其一，现有商业铸造仿真工具能够计算温度场、固相分数及niyama等判据，并可通过多工况计算进行参数比较；但常规应用仍以给定名义工艺的正向验证为主，通常没有把生产公差、最坏情况安全裕度和参数敏感度统一为可直接求解的工艺窗口问题。因而，单一名义工况计算结果较好，并不能说明该工艺在浇注温度、型壳预热、壳厚或局部冷却发生正常波动时仍保持安全。

4、其二，niyama判据主要反映凝固末期的温度梯度、冷却速率与补缩困难程度，适于评价收缩致缩松风险，但不能单独识别溶解气体析出、型壳界面析气或二者与收缩补缩不足叠加形成的孔隙。若仅依据单一判据给出工艺措施，可能把气体主导的问题误判为补缩问题，或者反之。

5、其三，相场、细观流动或高分辨率枝晶模型能够提供较强的机理解释，但计算域和时间尺度受限，难以直接覆盖完整铸件；工程级宏观模型覆盖范围较大，却不能自然给出枝晶间溶质富集、最后凝固通道和孔隙形貌。现有方法对宏观关键位置与局部微观代表性体元之间的边界条件传递仍不充分。

6、其四，niyama安全阈值、缩松体积分数关系、材料热物性和界面换热参数均具有合金、型壳和产线相关性。若直接采用未经标定的通用常数，结果更适合做相对趋势比较，不宜直接作为绝对合格判定。现有方案对实物检测结果反向标定及标定后盲测验证的支持仍有不足。

7、此外，纯数据驱动方法需要覆盖几何、材料和工艺波动的大量高质量样本，而铸造生产样本通常数量有限、检测标签不完整且工况分布不均。若缺少物理约束，代理模型可能在样本范围外给出缺乏可信度的外推结果。因此，更合适的方式是以物理求解器生成受约束样本，以机器学习模型降低重复求解成本，并对不确定性和适用范围作显式管理。

8、因此，需要一种把宏观凝固判据、局部微观成因模拟和抗波动优化贯通的方法：既定位风险，又区分可能的形成机制；既给出名义工况结果，又评价生产公差范围内的最坏情况裕度；同时保留用材料数据、热历史和实物检测结果进行标定的接口。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法及系统。该方案以宏观凝固求解确定风险场，以局部元胞自动机-有限体积法模拟解释关键位置的枝晶间成因，并以物理仿真样本训练代理模型，求解生产公差约束下的最坏情况niyama裕度。

2、本发明的第一方面提出了一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法，包括s1至s6六个步骤：

3、s1：获取铸件及型壳的三维几何数据并建立实体体素模型，基于表观比热法求解凝固传热过程，基于型壳配方计算等效热物性，并记录液相线、固相线穿越时刻及凝固场量；

4、s2：基于固相线穿越时刻的温度梯度和冷却速率计算niyama判据值，进一步计算无量纲niyama判据值和收缩致缩松体积分数，基于溶解气体过饱和关系计算气孔风险指标，并区分收缩致、气孔致和混合型缺陷；

5、s3：将局部凝固时间、niyama判据值和溶解气体过饱和指标分别与对应阈值比较，生成热节标志、补缩不足标志和析气标志，基于标志确定风险等级、关键位置以及收缩致、气孔致或混合型形成机理；

6、s4：接收用户选定的可疑位置，提取该位置的宏观凝固条件，并在局部随形代表性体元上执行元胞自动机-有限体积法耦合的微观成因模拟；

7、s5：对工艺参数空间进行采样，以预设评价区域内的最小niyama判据值为响应，训练高斯过程回归代理模型，并通过最大化参数波动集合内的最坏情况niyama裕度获得抗波动工艺窗口；

8、s6：在未接收用户点选时，依据风险场自动选择一个或多个关键位置，调用微观成因模拟，并汇总输出宏观风险场、微观组织及孔隙演化结果和工艺窗口；

9、其中，微观成因模拟为元胞自动机-有限体积法耦合模拟，铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法由界面层调用计算引擎层执行，界面层用于参数输入、任务调度和结果显示，计算引擎层用于执行几何处理、凝固求解、判据计算、成因诊断、微观模拟及工艺窗口优化。

10、本发明的第二方面，提出了一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化系统，包括：

11、宏观凝固求解模块：用于获取铸件及型壳的三维几何数据并建立实体体素模型；基于表观比热法求解凝固传热过程，基于型壳配方计算等效热物性，并记录液相线、固相线穿越时刻及凝固场量；

12、判据与缺陷定量模块，用于基于固相线穿越时刻的温度梯度和冷却速率计算niyama判据值，进一步计算无量纲niyama判据值和收缩致缩松体积分数；基于溶解气体过饱和关系计算气孔风险指标，并区分收缩致、气孔致和混合型缺陷；

13、风险与机理判定模块，用于将局部凝固时间、niyama判据值和溶解气体过饱和指标分别与对应阈值比较，生成热节标志、补缩不足标志和析气标志，并基于标志确定风险等级、关键位置以及收缩致、气孔致或混合型形成机理；

14、微观成因模拟模块，用于接收用户选定的可疑位置，提取该位置的宏观凝固条件，并在局部随形代表性体元上执行元胞自动机-有限体积法耦合的微观成因模拟；

15、抗波动工艺窗口优化模块，用于对工艺参数空间进行采样，以预设评价区域内的最小niyama判据值为响应，训练高斯过程回归代理模型，并通过最大化参数波动集合内的最坏情况niyama裕度获得抗波动工艺窗口；

16、分析编排与输出模块，用于在未接收用户点选时，依据风险场自动选择一个或多个关键位置，调用微观成因模拟，并汇总输出宏观风险场、微观组织及孔隙演化结果和工艺窗口；

17、其中，微观成因模拟为元胞自动机-有限体积法耦合模拟，铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法由界面层调用计算引擎层执行，界面层用于参数输入、任务调度和结果显示，计算引擎层用于执行几何处理、凝固求解、判据计算、成因诊断、微观模拟及工艺窗口优化。

18、本发明的第三方面，还提出了一种电子设备，包括：处理器和存储器；

19、处理器通过调用存储器存储的程序或指令，用于执行如上任一项一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法。

20、本发明的第四方面，还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储程序或指令，程序或指令使计算机执行如上任一项一种铸件显微疏松仿真与工艺窗口优化方法。

21、本发明至少具有以下有益效果：

22、1）建立宏观风险定位与局部微观解释之间的单向耦合路径。宏观模型负责筛选关键位置，局部元胞自动机-有限体积法模型负责显示枝晶生长、溶质富集及孔隙优先出现的区域，从而避免在全铸件范围内直接进行微米级计算。

23、2）将收缩补缩不足与溶解气体过饱和分别建模，并允许二者叠加。该分类结果为选择局部冷却、补缩通道调整、熔体除气或型壳透气性控制等措施提供依据。

24、3）支持用户点选和自动选点两种方式。用户可针对已知检测位置进行复核；未提供点选位置时，系统可依据有效计算域内的最小niyama判据值及空间间隔约束自动选取关键位置。

25、4）把生产公差显式写入优化问题。优化目标不是单纯提高名义工况的判据值，而是提高波动集合内的最坏情况niyama裕度，并输出安全参数范围和敏感度。

26、5）材料热物性、界面换热、临界补缩压降、枝晶臂间距、niyama安全阈值及体积分数关系中的标定常数均可配置，便于使用热分析、热电偶记录及实物检测结果进行标定。

27、6）界面层与计算引擎层解耦，计算引擎可脱离图形界面运行和测试，便于接入外部温度历史、替换求解器以及对不同精度层级进行一致的判据和优化处理。