基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用

1.本发明属于铸造工艺优化技术领域，尤其涉及一种基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用。


背景技术：

2.目前，铸造技术是指将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。铸造技术拥有造价低廉、材料来源广泛、可应用于复杂工件成型、适用性强等优势，在机械制造、汽车工业、航空航天、军工国防等领域得到广泛应用。
3.现代铸造按照铸模材料分可以分为砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造造型方便、成本低廉、型砂可反复利用，广泛运用于中大型铸件、单批次制造；按照铸造工艺分可以分为重力铸造和压力铸造，重力铸造是使用最广泛、历史最悠久的铸造工艺，具有工艺简单、气孔少、铸件可进行热加工后处理等优点；压力铸造可成型复杂薄壁工件、铸件表面光滑、力学性能优异、生产效率高。随着材料科学的发展和工艺技术改进，更多铸造工艺不断涌现，例如壳型铸造、熔模铸造、消失模铸造等等，优势各异，活跃在航空发动机叶片、电动机机壳、涡轮叶片等高精尖制造领域。
4.随着现代工业的发展和环境保护的要求，铝合金应用愈加广泛，已和传统的钢铁材料一样成为应用最为广泛的金属材料之一。与铸钢和铸铁相比，铸造铝合金最突出的特点是重量轻，它是常用金属中最轻的结构材料之一；成熟的铸造工艺可以以较快的速度、较低的成本成型各种复杂形状的铝合金，并实现近净成型以减少金属加工量；此外它还具有高强度、优异的导电性、高反射率、良好的耐腐蚀性、优异的加工性以及美观的外观等特点，广泛运用于燃气轮机叶片、发动机机匣、汽车轮毂、变速箱箱体、船舶零件等工业产品中。
5.铸造铝合金具有与变形铝合金相同的合金体系和强化机理，但铸造铝合金含有足够量的硅、镁等共晶型元素以使合金有相当的流动性，易于进行充型和补缩。现代铸造铝合金根据合金元素可以分为四个系列：铝硅系、铝镁系、铝铜系和铝锌系，其中铝硅系铸造性能最佳，使用性能均衡，使用范围最为广泛。
6.铝合金熔液由于在熔点低、容积热容量小而导热率高，导致其在流动过程中温度迅速降低，粘度增大，充型能力降低，气泡难以排除残留在工件中形成气孔；铝合金化学性质活泼，和气体亲和力强，容易吸收气体并被氧化，且氧化物比重和铝液相近，难以去除从而形成夹渣；铝合金凝固过程中收缩较大且具有较宽的结晶温度范围，容易产生缩松缩孔缺陷；铝合金线收缩率较大，弹性模量较大，容易在冷却工程中产生较大的残余应力和应变，从而影响之间的使用性能和寿命。
7.铸造残余应力是由铸造应力未得到释放而存在于铸件内部的，铸造应力是热应力、相变应力和机械阻碍应力的代数和。铸件冷却过程中，铸件各部位薄厚不同，产生了冷却速度差异，从而产生了塑性变形的不均匀，导致冷却到室温后产生了不同方向的内应力，这种应力称为热应力；在结晶过程中，由于不同部分温度不同，各部分共晶结晶和共析转变
的时机不同以及组织体积不同，导致冷却到室温后铸件中存在和热应力方法相反的相变应力；铸件在固态收缩过程中，各部分由塑性到弹性状态的时机不同，型芯阻碍金属冷却收缩，导致铸件内造成程度不同的应变，产生机械阻碍应力。
8.铸造残余应力的产生会对铸件的使用性能和精度产生影响，主要体现在以下几个方面：
9.表1 残余应力对铸件性能的影响
[0010][0011][0012]
残余应力大多数情况下在构件内是共轭存在的，因此需要残余应力的分布进行检测和分析以确定其对构件的影响，常规的检测方法根据原理可以分为两大类：
[0013]
(1)机械测量法，原理是将具有残余应力的部件从构件中分离或切割出来使应力释放，测量由其带来的应变变化推算残余应力。常见的方法由转孔法、环芯法、剥层法、切条法等。这些方法测量精度高，技术较为成熟可靠，但会对工件产生一定的破坏和影响。
[0014]
(2)无损检测法，是一种以不损害被检测对象使用性能的前提下，应用声、光、磁和电等多种物理原理和化学现象，借助现代技术设备，对应力场进行检测的方法。常见的方法有磁粉检测、射线检测、超声检测、压痕应变检测等。这些方法各有特点，相对于机械测量来说，它们不会对工件产生不利影响，测量范围更广，操作更方便，但测量精度相对较低，设备昂贵。
[0015]
无论是机械测量法还是无损检测法都难以对铸件残余应力的分布进行全流程、全方位的监控，难以表现加工过程中铸件残余应力的演化，且费时费力，效率不高，数值模拟技术在铸造领域的应用解决了这些问题。
[0016]
在生产实践中，铸件成型过程是包括热量传输、动量传输、质量传输及相变在内的一系列物理化学变化过程，涉及到材料物性参数、工件造型、铸造工艺参数等因素，结果难以进行量化统计分析。操作人员凭借经验进行手工造型和工艺的设计优化，往往留有过大的设计余量，造成材料的浪费；手工作业效率低下，精度和工艺稳定性难以保证。因此传统铸造方法已经不能满足现代工业化需求。
[0017]
铸造加工过程数值模拟技术是解决以上问题的有效方法，铸造数值模拟技术是指使用有限单元法、有限差分法等数值方法，结合流体力学、传热学、金属学等理论来计算模拟铸造过程中浇注、凝固、冷却过程的计算机模拟技术。现阶段铸造加工过程数值模拟技术主要用于充型阶段合金熔液流动场和温度场耦合过程模拟、温度场模拟及缩松缩孔预测、
应力场模拟和铸件微观组织模拟。该技术可以在不进行实际试验的情况下，模拟铸造过程，预测铸造缺陷，优化铸造工艺，对铸造生产提供指导。
[0018]
procast系统是为以有限元方法为基础的专业铸造模拟cae系统，它能准确模拟金属铸造过程的流动、凝固、冷却过程，计算铸件成型全过程的温度场、应力场和流场，并结合铸造工艺学和相关判据，得到缺陷位置，显示残余应力应变，预测缩松缩孔和微观组织的变化，并能对铸造过程中出现的特殊工艺措施进行计算。procast系统具有模块化设计、精确的几何描述、cad/cae高度集成、工程化界面、可独立完成热-流动-应力完全耦合计算等优点，广泛运用于常规铸造以及半固态铸造、离心铸造、倾斜铸造、精密铸造、连续铸造等特种铸造领域。系统铸造模拟过程包三个部分：
[0019]
(1)前处理：该部分主要为数值模拟提供铸件和铸型的几何信息、铸件和造型材料的性能参数信息以及铸造工艺信息，主要由外源cad系统、mesh模块和cast模块完成。
[0020]
(2)中间计算：该部分为根据铸造过程涉及的物理场为数值技术提供计算模型，根据铸件质量或缺陷于物理场的关系预测铸件质量，主要由solver求解器完成。
[0021]
(3)后处理：以图像和曲线的方式直观地输出数值计算，并提供数学分析工具，主要由viewer模块完成。
[0022]
为了保证铸造残余应力数值模拟技术的准确性和可靠性，中外学者付出了不懈努力，并获得了诸多进展。材料的准确建模是模拟计算的关键。baghani等人证明了将砂模设置为刚体会导致残余应力计算结果高于实际情况，而使用弹塑性力学曲线会得到更准确的结果。motoyama的研究结果也证明了这一点，他通过实验证明弹塑性行为更符合砂型对铸件的约束力变化趋势，而这种约束力是产生残余应力的关键因素之一。inoue提出的cam-clay砂模型进一步提高了计算结果和实验结果的一致性，提高了砂模的建模和计算效率。metzege等人创新性地提出一种表面单元方程，该方程能够用模型中铸件表面上的法向力代替砂模作用，chang anddantzig改进了该方程使其能够在应用中大刚性铸型上。
[0023]
由于铸造金属在高温下相变行为、固液变化和高应变率敏感性，完全弹性或弹塑性行为模型可能会导致不准确的结果，铸造金属的建模成为了铸件模拟计算的难点之一。g.palumbo的研究表明由于粘性行为的作用，材料在屈服极限之下也会出现较大塑形变形，即高温蠕变现象不可忽视，如果数值模型仅使用弹塑性模型，那么误差将大大增加；相反使用弹粘塑形材料行为来计算应力释放引起的位移结果比较理想。thorborg提出为获得准确的残余应力计算结果，数值模型应该包括应变率敏感公式。motoyama将材料失去抵抗能力的温度水平引入了弹塑性本构方程来计算材料在该温度之上产生的热应力释放现象，并获得了和实验测量比较吻合的结果。
[0024]
除了材料模型的不断精确化，数值方法也在不断进步。一般来说，有限单元法在应力场计算方面更有效，而由于不具有矩阵对称性，有限元方法在温度场运算中的效率不如有限差分法或者有限体积法。si等人提出了一种三维温度插值算法用于fdm和fem模型之间的数据转换，将fdm求解器计算的温度图被导入fem环境以计算应力和应变场。liu等人为准固态金属提出了[h]-[h|n]-[n|s]流变模型，该模型也可以执行完全耦合的热机械分析。fackeldey等人在精确微观结构模型基础上提出了一个数值模型，该模型不仅能够预测温度分布和应力演变，还能够预测枝晶结构和共晶分数。
[0025]
铸造加工技术历史悠久，应用广泛，在机械制造、汽车工业、航天军工等领域有着
不可替代的地位。铝合金铸件重量低，强度高，外观美，得到了越来越多人的关注。但传统铸造工艺繁复，影响因素众多，难以对铸造缺陷进行有效的控制和检测，阻碍了铸造产业的发展。铸造残余应力会导致铸件疲劳断裂、缩短铸件寿命、引起铸件变形等不良现象的产生，因此对铸件残余应力的控制和检测是铸造生产的重要环节。
[0026]
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0027]
(1)机械测量法会对工件产生一定的破坏和影响，无损检测法测量精度相对较低且设备昂贵，难以对铸件残余应力的分布进行全流程、全方位的监控，难以表现加工过程中铸件残余应力的演化，且费时费力，效率不高。
[0028]
(2)在生产实践中，铸件成型过程结果难以进行量化统计分析，操作人员凭借经验进行手工造型和工艺的设计优化，往往留有过大的设计余量，造成材料的浪费；手工作业效率低下，精度和工艺稳定性难以保证。
[0029]
(3)由于铸造金属在高温下相变行为、固液变化和高应变率敏感性，完全弹性或弹塑性行为模型可能会导致不准确的结果；传统铸造工艺繁复，影响因素众多，难以对铸造缺陷进行有效的控制和检测，阻碍了铸造产业的发展。


技术实现要素：

[0030]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用。
[0031]
本发明是这样实现的，一种工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法包括：
[0032]
使用cad软件建立相关三维模型，利用有限元方法得出温度场、应力场和填充情况的参数，分析模拟结果，预测可能的铸造缺陷，优化改进浇注工艺以消除铸造缺陷并获得更好的铸件残余应力表现；
[0033]
通过对铸件结构及浇注系统进行初步分析，对原始浇注模型进行前处理并模拟计算；重新设计浇注系统，采用正交试验设计优化浇注温度、浇注时间和铸型温度。
[0034]
进一步，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法还包括：
[0035]
利用cad软件建立相关三维模型，将模型导入procast mash进行网格划分；设定材料特性、浇注条件和边界条件，进行有限元模拟计算得到温度场、应力场和填充情况；根据铸件应力场分析铸件凝固后的残余应力大小及分布，确定工程部件的特征敏感部位；
[0036]
根据铸件温度场分析熔液的凝固时间和顺序，判断缩松缩孔的产生；根据填充情况图分析熔液浇注时的速度和填充时间，观察熔液流动过程；根据分析结果调控材料参数及工艺参数，分析部件铸造过程中残余应力的水平。
[0037]
进一步，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法包括以下步骤：
[0038]
步骤1：跟据铸造图纸简单设计初始浇注方案，使用cad软件建立1：1铸件和浇注系统模型；
[0039]
步骤2：将模型导入procast软件，对模型进行前处理，根据处理浇注工艺、材料特性和模拟要求灯设置模拟参数，进行模拟运算；
[0040]
步骤3：分析模拟运算结果，结合铸造工艺学改进浇注系统设计；
[0041]
步骤4：利用网格试验进行网格无关性验证，得到网格参数；
[0042]
步骤5：重新划分有限元网格，根据正交试验设计法优化浇注参数进行模拟试验，得到优方案；
[0043]
步骤6：对优方案进行验证。
[0044]
进一步，所述步骤1中的初始浇注方案包括：
[0045]
所述初始浇注方案采用顶浇式，金属液从铸型上部浇注沿着浇口杯和主浇道进入型腔，从下至上充满整个型腔；
[0046]
铸件材料为铝合金zl114a，合金液相线为616℃，固相线为556℃，室温20℃下密度为2730kg/m3；浇铸温度应控制在液相线以上10～110℃范围内；在铸造实践中，通过控制浇注时间控制浇注速度，并得出如下经验公式：
[0047]
t＝agn；
[0048]
其中，对于铝合金系数a＝2.4，n＝0.387，g取铸件质量的2.5倍，带入相关数据得理论浇注时间t＝5.02s。
[0049]
进一步，所述步骤2中的数值模拟前处理包括模型预处理和模型前处理，所述模型预处理根据铸件图纸使用cad软件建立模型，并对铸件进行合理的修改和简化，所述铸件颈部横向通孔和竖向盲孔直径9mm小于砂型最小铸出孔直径20mm，通过后期机加工钻孔，在铸造模拟前去除这两个长孔；将砂型作为砂箱的一部分且作为弹塑性力学模型处理；
[0050]
所述模型前处理将预处理过的模型导入procast软件的visual-mesh模块进行网格划分；
[0051]
所述网格划分为模型添加虚拟砂箱，尺寸为300
×
300
×
250mm；面网格类型为三角形，尺寸设定为10mm，对模型和虚拟砂型表面进行网格划分；面网格检查合格后，将面网格转换为体网格，类型为四面体、六节点单元。
[0052]
重力加速度取为9.80m/s2；铸型选用en ac-42100alsi7mg0.3，冷却速度为10k/s，初始温度为浇注温度700℃，砂型采用resin bonded sand，初始温度为室温20℃，力学模型设定为弹塑性模型。
[0053]
砂型和金属的界面换热参数设置为500w/m2·
k，砂型和外界空气的换热系数为10w/m2·
k，冷却方式为空冷至室温；根据合金性能和浇注条件，浇注时间定为10s，浇注速度为0.204kg/s，浇注温度设置为700℃；为了得到模型应力场，对砂型进行约束，约束面为除浇口外所有的外表面，位移设置为0。
[0054]
进一步，所述步骤3中的分析模拟结果包括：
[0055]
将金属液体简化为不可压缩的牛顿流体，根据牛顿第二定律得出粘性流体的运动微分方程：
[0056][0057][0058]
[0059]
式中，ρ为流体密度，t为流体流动时间，μ为流体运动粘度，g
x
、gy、gz为三个坐标轴方向的重力加速度分量，为拉普拉斯算子，p为流体单位体积压力，u、v、w为流体在x、y、z轴的速度分量；
[0060]
根据体积元内质量守恒方程推导的连续性方程得到流体压力公式：
[0061][0062]
其中，d为流体散度。
[0063]
计算型腔内流体温度分布应耦合流场和温度场，能量方程如下：
[0064][0065]
其中，ρ、k为材料的密度和热传导率，为材料焓-温度曲线的斜率，相当于比热，u为流体速度。
[0066]
凝固过程中工件温度受热传导方程决定，分布通过热量平衡方程得到：
[0067][0068]
其中，c分别为材料比热。
[0069]
冷却过程中，将材料简化为弹塑性模型；材料在达到屈服强度前，应力应变呈线性关系，应力达到屈服强度后保持为常数，最终应变为弹性应变和塑形应变之和：
[0070][0071][0072][0073]
其中，和是材料理论应力、理论应变，e为弹性模量，σs是材料屈服强度，εe和εs为材料屈服时对应的应变和后续产生塑形应变；
[0074]
计算得到材料有限元单元的温度场、流动场以及应力场，通过有限元本构方程复现铸件模型的充型、凝固和冷却过程；通过数学模拟计算，铸造模拟得到铸件加工过程中每个时刻每个点的温度、固态率、缩松缩孔率、有效应力、流场速度、充型压力、充型时间、最大应力以及各分向应力的可视化结果，并通过数学方法对结果进行比较和分析。
[0075]
进一步，所述步骤3中的改进浇注系统设计包括：
[0076]
所述浇注系统采用底浇式浇注方案优化，设置直浇道窝和横浇道延长段，用于减小流速和冲击；设置冒口和冷铁，用于减小缩松缩孔体积；铸件被上下颠倒放置，合金液自下向上平稳充型，所述浇注系统各截面面积的比例为a
直
：a
横
：a
内
＝1：2：2。
[0077]
进一步，所述直浇道形状设计为上大下小的直锥形，由直浇道截面面积可得下表面截面半径为16mm，斜度为2
°
；在直浇道上方设置圆锥形浇口杯，浇口杯上表面直径为55mm，高度为35mm，下表面直径和直浇道上表面直径保持一致，浇口杯整体位于砂箱上表面以下。
[0078]
进一步，所述横浇道形状为上大下小的高梯形，由横截面积和经验法则计算出横
浇道上底长30mm，下底长20mm，高16mm；梯形厚度为内浇道口所在铸件区域壁厚的1/2，内浇道开在横浇道顶部；在连接处设置直浇道窝；根据经验浇窝的优化尺寸为直径是直浇道出口直径的2倍，高度是横浇道高度的2倍；直浇道窝设置向内5
°
的斜度并将上表面和横浇道平齐来让金属液先充满直浇道窝，后进入横浇道内；在套管外表面设置冷铁，冒口采用圆柱形冒口，冷铁采用铸铁外冷铁，在转角处设置r＝3mm的铸造圆角。
[0079]
进一步，所述步骤4中的网格试验利用修饰模型和procast的网格修复工具改进网格质量，包括：
[0080]
首先，在procast的mesh模块中，检查模型的完整性和实体交叉情况，并通过装配实体消除重复面；
[0081]
然后，确定模型各部分面网格的尺寸并生成三角形面网格，对面网格的质量进行检查并修复，在面网格的基础上生成四面体体网格；
[0082]
最后，对网格尺寸试验方案分别进行前处理和模拟计算，任意选取两个点的残余应力的计算结果和整个铸件的平均残余应力作为考察指标，其中，面网格尺寸为5mm和10mm的计算结果相差不大；将铸件网格尺寸定为7mm，冷铁、冒口和砂箱在内的其余部分定为10mm。
[0083]
进一步，所述步骤5中的正交实验设计法包括：
[0084]
确定平均残余应力为试验指标，用于量化试验结果。影响试验结果的因素包括浇注温度、浇注时间和铸模温度，每个因素设定三个水平，并将水平数值进行随机化处理，选用四因素三水平的正交表l9(34)，其中，浇注工艺参数优选为浇注温度为670℃，浇注时间为5s，铸型温度为20℃。
[0085]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟系统，所述工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟系统包括：
[0086]
铸件缺陷情况预测模块，用于运用铸造数值模拟技术，分析原始铸件铸造方案结构和材料物性参数，使用procast模拟铸造加工过程，预测缺陷情况；
[0087]
铸造过程数值模拟模块，用于根据铸件图纸使用cad软件建立1：1模型，进行数值模拟前处理，分析浇注过程、凝固过程以及铸件冷却结果；
[0088]
铸造数值模拟初始方案设计模块，用于进行铸造过程数值模拟的初始方案工艺参数和初始浇注系统的设计，并分析残余应力分布；
[0089]
工艺参数优化设计模块，用于通过正交实验结合模拟结果进行浇注工艺参数的改进优化，并总结出相关参数对残余应力数值大小的影响趋势。
[0090]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法的步骤。
[0091]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法的步骤。
[0092]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟系统。
[0093]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0094]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0095]
本发明先根据铸件得到铸件图(二维和三维)，然后根据铸造工艺要求对铸件进行必要的优化得到工艺图；在工艺图上基础根据铸造工艺学上设计初始浇注方案和浇注参数；根据初始方案结果针对性地进行优化，先优化浇注方案，如果未能达到要求，再对浇注工艺进行优化。
[0096]
本发明运用铸造数值模拟技术，模拟铸造加工过程，预测缩松、缩孔、浇不足等缺陷情况，分析残余应力分布，并结合模拟结果进行浇注方案的改进优化。本发明首先对分析原始铸件铸造方案的结构和材料物性参数，使用procast进行铸造模拟，发现使用原始铸造方案成型的铸件发生了浇不足、缩松等缺陷。针对以上问题，本发明重新设计了浇注系统，并通过正交实验设计优化了浇注工艺参数，并总结出相关参数对残余应力数值大小的影响趋势，并通过模拟试验验证了优化方案的合理性。
[0097]
本发明使用cad软件建立相关三维模型，将模型导入procast mash进行网格划分；设定材料特性、浇注条件和边界条件，进行有限元模拟计算得出温度场、应力场、填充情况等结果；然后根据铸件应力场分析铸件凝固后的残余应力大小以及分布，确定工程部件的特征敏感部位；根据铸件温度场分析熔液的凝固时间和顺序，判断缩松缩孔的产生；根据填充情况图分析熔液浇注时的速度和填充时间，观察熔液流动过程；根据分析结果调控材料参数及工艺参数，降低部件铸造过程中残余应力的水平。
[0098]
本发明了解典型金属工程部件近服役工况条件下温度场及应力场的演化规律；初步掌握基于三维建模(cad)及铸造加工过程的有限元仿真(cae)分析方法；针对某一典型金属工程部件实现铸造加工过程的温度场及应力场的演化模拟；通过分析铸造过程中应力场的模拟结果确定工程部件的特征敏感部位，并通过调控材料参数及工艺参数，降低部件铸造过程中残余应力的水平。
[0099]
本发明对运用procast某工程铸件的铸造加工过程进行了数值模拟，发现了铸造方案的不足，根据模拟结果设计了优化改进方案，并通过模拟实验验证，具体结果如下：
[0100]
(1)通过对铸件结构及浇注系统进行初步分析，发现铸件各部分壁厚差异较大容易产生残余应力集中现象，且部分位置散热条件不佳容易产生热节导致缩松缩孔缺陷，浇注系统不符合铝合金浇注特点导致金属液流速过大。后续的模拟实验结果基本符合这些分析，验证了数值模拟的准确性。
[0101]
(2)对原始浇注模型进行前处理并模拟计算，结果分析发现浇注过程中，金属液流发生了紊流、喷射、飞溅现象，并对型腔造成较大冲击；在凝固过程中，工件由上至下逆顺序凝固，上方出现了冷缩导致浇不足现象；冷却结束后，工件横向套筒中央部位出现了大面积缩松缩孔，铸件边缘残余应力较大。
[0102]
(3)针对以上铸造缺陷，本发明重新设计了浇注系统，采用底浇式浇注方案，设置直浇道窝和横浇道延长段以减小流速和冲击，设置冒口和冷铁以减小缩松缩孔体积。通过模拟实验结果表明，以上改进均取得了明显效果，浇不足现象消失，缩松缩孔体积大大减
小，残余应力表现也有所改善。
[0103]
(4)为进一步减小工件的残余应力水平，本发明采用正交试验设计来优化浇注温度、浇注时间、铸型温度这三个主要浇注参数，得到了较优方案：浇注温度为670℃，浇注时间为5秒，铸型温度为20℃。本发明还发现浇注时间对残余应力结果影响最大，铸型温度次之，浇注温度最小。
[0104]
第二，把技术方案作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0105]
本发明可以在相关铸造工艺或材料数据等理论知识储备缺乏的情况下，简单快速地设计铸造工艺；不用进行实际试验就可以检验铸件质量，优化相关缺陷，并能实现对加工过程中铸件各项数据进行全流程全部位的监控，这在传统方法(试错法)中是难以实现的。本发明能够辅助实际生产中铸件工艺设计，降低对经验的依赖，减小设计难度，减少试制成本，提高生产效率。
[0106]
本发明通过模拟试验可以发现，铸造数值模拟技术在模拟铸造过程，探究残余应力演化，优化铸造方案等方面有着独特的优势并具有相当的可靠性，该技术的大规模运用将会对铸造产业的健康发展做出巨大贡献。
附图说明
[0107]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0108]
图1是本发明实施例提供的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法流程图；
[0109]
图2是本发明实施例提供的铸造实践和模拟流程图；
[0110]
图3是本发明实施例提供的铸件结构图；
[0111]
图4是本发明实施例提供的浇注系统设计图；
[0112]
图5是本发明实施例提供的网格划分结果图；
[0113]
图6是本发明实施例提供的材料物性参数示意图；
[0114]
图7是本发明实施例提供的金属液流速图；
[0115]
图8是本发明实施例提供的浇注过程云图；图(a)为t＝0s，图(b)为t＝1.68s，图(c)为t＝7.78s，图(d)为t＝13.04s，图(e)为t＝17.21s，图(f)为t＝17.89s；
[0116]
图9是本发明实施例提供的热节分布图；
[0117]
图10是本发明实施例提供的凝固过程云图；图(a)为t＝20.18s，图(b)为t＝75.88s，图(c)为t＝235.88s，图(d)为t＝315.88s，图(e)为t＝385.88s，图(f)为t＝525.88s；
[0118]
图11是本发明实施例提供的冷却结果示意图；图(a)为固体分数分布云图，图(b)为缩松缩孔分布云图，图(c)为有效应力分布云图；
[0119]
图12是本发明实施例提供的浇注系统改进结果示意图；
[0120]
图13是本发明实施例提供的改进方案浇注过程示意图；图(a)为0s，图(b)为
1.43s，图(c)为2.07s，图(d)为3.91s，图(e)为12.74s，图(f)为16.15s；
[0121]
图14是本发明实施例提供的改进方案凝固过程示意图；图(a)为26.78s，图(b)为136.66s，图(c)为176.66s，图(d)为256.66s，图(e)为346.66s，图(f)为496.66s；
[0122]
图15是本发明实施例提供的凝固时间云图；
[0123]
图16是本发明实施例提供的改进方案冷却结果示意图；图(a)为缩松缩孔分布云图，图(b)为残余应力分布图；
[0124]
图17是本发明实施例提供的网格试验结果示意图；
[0125]
图18是本发明实施例提供的各因素趋势图；
[0126]
图19是本发明实施例提供的优化结果示意图；图(a)为缩松缩孔分布图，图(b)为残余应力分布图。
具体实施方式
[0127]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0128]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于计算机数值模拟的铸造残余应力控制优化方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0129]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0130]
如图1所示，本发明实施例提供的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟方法包括以下步骤：
[0131]
s101：跟据铸造图纸简单设计初始浇注方案，使用cad软件建立1：1铸件和浇注系统模型；
[0132]
s102：将模型导入procast软件，对模型进行前处理，根据处理浇注工艺、材料特性和模拟要求灯设置模拟参数，进行模拟运算；
[0133]
s103：分析模拟运算结果，结合铸造工艺学改进浇注系统设计；
[0134]
s104：利用网格试验进行网格无关性验证，得到网格参数；
[0135]
s105：重新划分有限元网格，根据正交试验设计法优化浇注参数进行模拟试验，得到优方案；
[0136]
s106：对优方案进行验证。
[0137]
进一步，所述s101中的初始浇注方案包括：
[0138]
所述初始浇注方案采用顶浇式，金属液从铸型上部浇注沿着浇口杯和主浇道进入型腔，从下至上充满整个型腔；
[0139]
铸件材料为铝合金zl114a，合金液相线为616℃，固相线为556℃，室温20℃下密度为2730kg/m3；浇铸温度应控制在液相线以上10～110℃范围内；在铸造实践中，通过控制浇注时间控制浇注速度，并得出如下经验公式：
[0140]
t＝agn；
[0141]
其中，对于铝合金系数a＝2.4，n＝0.387，g取铸件质量的2.5倍，带入相关数据得理论浇注时间t＝5.02s。
[0142]
进一步，所述s102中的数值模拟前处理包括模型预处理和模型前处理，所述模型预处理根据铸件图纸使用cad软件建立模型，并对铸件进行合理的修改和简化，所述铸件颈部横向通孔和竖向盲孔直径9mm小于砂型最小铸出孔直径20mm，通过后期机加工钻孔，在铸造模拟前去除这两个长孔；将砂型作为砂箱的一部分且作为弹塑性性力学模型处理；
[0143]
所述模型前处理将预处理过的模型导入procast软件的visual-mesh模块进行网格划分；
[0144]
所述网格划分为模型添加虚拟砂箱，尺寸为300
×
300
×
250mm；面网格类型为三角形，尺寸设定为10mm，对模型和虚拟砂型表面进行网格划分；面网格检查合格后，将面网格转换为体网格，类型为四面体、六节点单元。
[0145]
重力加速度取为9.80m/s2；铸型选用en ac-42100alsi7mg0.3，冷却速度为10k/s，初始温度为浇注温度700℃，砂型采用resin bonded sand，初始温度为室温20℃，力学模型设定为弹塑性模型。
[0146]
砂型和金属的界面换热参数设置为500w/m2·
k，砂型和外界空气的换热系数为10w/m2·
k，冷却方式为空冷至室温；根据合金性能和浇注条件，浇注时间定为10s，浇注速度为0.204kg/s，浇注温度设置为700℃；为了得到模型应力场，对砂型进行约束，约束面为除浇口外所有的外表面，位移设置为0。
[0147]
进一步，所述s103中的分析模拟结果包括：
[0148]
将金属液体简化为不可压缩的牛顿流体，根据牛顿第二定律得出粘性流体的运动微分方程：
[0149][0150][0151][0152]
式中，ρ为流体密度，t为流体流动时间，μ为流体运动粘度，g
x
、gy、gz为三个坐标轴方向的重力加速度分量，为拉普拉斯算子，p为流体单位体积压力，u、v、w为流体在x、y、z轴的速度分量；
[0153]
根据体积元内质量守恒方程推导的连续性方程得到流体压力公式：
[0154][0155]
其中，d为流体散度。
[0156]
计算型腔内流体温度分布应耦合流场和温度场，能量方程如下：
[0157][0158]
其中，ρ、k为材料的密度和热传导率，为材料焓-温度曲线的斜率，相当于比热，u
为流体速度。
[0159]
凝固过程中工件温度受热传导方程决定，分布通过热量平衡方程得到：
[0160][0161]
其中，c分别为材料比热。
[0162]
冷却过程中，将材料简化为弹塑性模型；材料在达到屈服强度前，应力应变呈线性关系，应力达到屈服强度后保持为常数，最终应变为弹性应变和塑形应变之和：
[0163][0164][0165][0166]
其中，和是材料理论应力、理论应变，e为弹性模量，σs是材料屈服强度，εe和εs为材料屈服时对应的应变和后续产生塑形应变；
[0167]
计算得到材料有限元单元的温度场、流动场以及应力场，通过有限元本构方程复现铸件模型的充型、凝固和冷却过程；通过数学模拟计算，铸造模拟得到铸件加工过程中每个时刻每个点的温度、固态率、缩松缩孔率、有效应力、流场速度、充型压力、充型时间、最大应力以及各分向应力的可视化结果，并通过数学方法对结果进行比较和分析。
[0168]
进一步，所述s103中的改进浇注系统设计包括：
[0169]
所述浇注系统采用底浇式浇注方案优化，设置直浇道窝和横浇道延长段，用于减小流速和冲击；设置冒口和冷铁，用于减小缩松缩孔体积；铸件被上下颠倒放置，合金液自下向上平稳充型，所述浇注系统各截面面积的比例为a
直
：a
横
：a
内
＝1：2：2。
[0170]
进一步，所述直浇道形状设计为上大下小的直锥形，由直浇道截面面积可得下表面截面半径为16mm，斜度为2
°
；在直浇道上方设置圆锥形浇口杯，浇口杯上表面直径为55mm，高度为35mm，下表面直径和直浇道上表面直径保持一致，浇口杯整体位于砂箱上表面以下。
[0171]
进一步，所述横浇道形状为上大下小的高梯形，由横截面积和经验法则计算出横浇道上底长30mm，下底长20mm，高16mm；梯形厚度为内浇道口所在铸件区域壁厚的1/2，内浇道开在横浇道顶部；在连接处设置直浇道窝；根据经验浇窝的优化尺寸为直径是直浇道出口直径的2倍，高度是横浇道高度的2倍；直浇道窝设置向内5
°
的斜度并将上表面和横浇道平齐来让金属液先充满直浇道窝，后进入横浇道内；在套管外表面设置冷铁，冒口采用圆柱形冒口，冷铁采用铸铁外冷铁，在转角处设置r＝3mm的铸造圆角。
[0172]
进一步，所述s104中的网格试验利用修饰模型和procast的网格修复工具改进网格质量，包括：
[0173]
首先，在procast的mesh模块中，检查模型的完整性和实体交叉情况，并通过装配实体消除重复面；
[0174]
然后，确定模型各部分面网格的尺寸并生成三角形面网格，对面网格的质量进行检查并修复，在面网格的基础上生成四面体体网格；
[0175]
最后，对网格尺寸试验方案分别进行前处理和模拟计算，任意选取两个点的残余
应力的计算结果和整个铸件的平均残余应力作为考察指标，其中，面网格尺寸为5mm和10mm的计算结果相差不大；将铸件网格尺寸定为7mm，冷铁、冒口和砂箱在内的其余部分定为10mm。
[0176]
进一步，所述s105中的正交实验设计法包括：
[0177]
确定平均残余应力为试验指标，用于量化试验结果。影响试验结果的因素包括浇注温度、浇注时间和铸模温度，每个因素设定三个水平，并将水平数值进行随机化处理，选用四因素三水平的正交表l9(34)，其中，浇注工艺参数优选为浇注温度为670℃，浇注时间为5s，铸型温度为20℃。
[0178]
本发明实施例提供的工程部件铸造加工过程中残余应力的演化模拟系统，包括：
[0179]
铸件缺陷情况预测模块，用于运用铸造数值模拟技术，分析原始铸件铸造方案结构和材料物性参数，使用procast模拟铸造加工过程，预测缺陷情况；
[0180]
铸造过程数值模拟模块，用于根据铸件图纸使用cad软件建立1：1模型，进行数值模拟前处理，分析浇注过程、凝固过程以及铸件冷却结果；
[0181]
铸造数值模拟初始方案设计模块，用于进行铸造过程数值模拟的初始方案工艺参数和初始浇注系统的设计，并分析残余应力分布；
[0182]
工艺参数优化设计模块，用于通过正交实验结合模拟结果进行浇注工艺参数的改进优化，并总结出相关参数对残余应力数值大小的影响趋势。
[0183]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0184]
本发明可以应用于连杆套、发动机曲轴、轮毂等中小型铸件的铸造工艺制定和优化，以减小缺陷，控制残余应力表现。
[0185]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0186]
1、铸件数值模拟理论及初始方案设计
[0187]
铸造数值模拟技术以流体力学、工程力学、传热学等理论为基础，以数值方法为工具，以铸造过程为研究对象，以消除缺陷、控制性能为目标。本发明将根据铸造理论知识和原始铸造方案大致分析出工件的铸造过程以及可能会出现的缺陷，与后面的铸造数值模拟计算得出的结果进行比较以验证数值模拟结果的可靠性，并探究两种方法的优劣之处。
[0188]
1.1铸造数值模拟技术原理
[0189]
铸造数值模拟技术目的为对铸件形成过程中温度场、流场、浓度场、应力场等各个阶段的场的变化进行准确的计算以获得合理的铸件形成的控制参数来消除铸件缺陷，并通过组织模拟控制铸件性能。铸造数值模拟技术的实质是对铸件成型系统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物理场的变化特点，并结合相关铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。其中常见的数值计算方法有有限单元法(fem)、有限差分法(fdm)、控制体积法(vem)、边界元法(bem)。为在晶粒尺寸上对铸件凝固过程进行模拟，研究人员将元胞自动机法(ca)并将其和有限元方法结合起来，建立了由宏观到微观的元胞自动机模型即(cafe)法。不论那种数值方法，数值解法一般包括五步：
[0190]
(1)给定研究对象的几何条件、初始条件、物理条件、边界条件等单值性条件；
[0191]
(2)将研究区域在时间和空间上进行离散化处理；
[0192]
(3)建立内部和边界的节点或单元的数值方程；
[0193]
(4)选用适当的计算方法求解线性代数方程；
[0194]
(5)编程计算，将节点或单元计算结果合并成场结果。
[0195]
1.2数值模拟技术在铸造领域的应用
[0196]
以重力砂型铸造生产实践为例，铸造厂前期根据客户需求进行工件铸型、砂型、冷铁等工件外形和浇注系统设计，根据铸造工艺学和工件性能需要来设置铸造工艺参数并准备金材、涂料、型砂等原材料。在铸造过程中，工厂经过装炉、熔化、扒渣、调制、精炼、变质等工序将金属原材料熔炼为合金熔液，经过包括混砂、造型、造芯、烘干、合箱等工序形成铸模，然后将金属熔液浇入预设的浇口，待冷却至室温进行开模和清砂，最后通过机加工、热处理、涂装等后处理工序得到最终产品。工序结束后需要对工件的微观组织、形状外观、力学性能等方面进行检测和评估，以判断工件是否合格。
[0197]
铸造模拟技术利用利用cad技术对工件外形和尺寸进行三维重构，原材料的力学、流体、热学等参数对原材料进行数学建模，同时工艺参数和边界条件均通过数学方法进行量化分析和重现。
[0198]
在填充过程中，通常将金属液体简化为不可压缩的牛顿流体，流体动力学研究的基础为动量守恒定律，根据牛顿第二定律可以得出粘性流体的运动微分方程，即navier-stokes方程：
[0199][0200][0201][0202]
式中，ρ为流体密度，t为流体流动时间，μ为流体运动粘度，g
x
、gy、gz为三个坐标轴方向的重力加速度分量，为拉普拉斯算子，p为流体单位体积压力，u、v、w为流体在x、y、z轴的速度分量。
[0203]
根据体积元内质量守恒方程推导的连续性方程可以得到流体压力公式：
[0204][0205]
其中，d为流体散度。
[0206]
充型时，热量传输不仅有型腔内金属熔液以及金属和腔壁之间的热传导，还有流动金属带来的热量输入，因此计算型腔内流体温度分布应耦合流场和温度场，能量方程如下：
[0207][0208]
其中，ρ、k为材料的密度和热传导率，为材料焓-温度曲线的斜率，相当于比热，u
为流体速度。
[0209]
宏观上看，凝固过程中工件温度受热传导方程决定，其分布可以通过热量平衡方程得到：
[0210][0211]
其中，c分别为材料比热。
[0212]
冷却过程中，可将材料简化为弹塑性模型，即材料在达到屈服强度前，应力应变呈线性关系，应力达到屈服强度后保持为常数，最终应变为弹性应变和塑形应变之和：
[0213][0214][0215][0216]
其中，和是材料理论应力、理论应变，e为弹性模量，σs是材料屈服强度，εe和εs为材料屈服时对应的应变和后续产生塑形应变。
[0217]
通过以上定理以及公式可以计算出材料有限元单元的温度场、流动场以及应力场，然后通过有限元本构方程复现铸件模型的充型、凝固和冷却过程。通过数学模拟计算，铸造模拟可以得到铸件加工过程中每个时刻每个点的温度、固态率、缩松缩孔率、有效应力、流场速度、充型压力、充型时间、最大应力、各分向应力等可视化结果，并可以通过数学方法对结果进行比较和分析。
[0218]
铸造实践和模拟流程图如图2所示。
[0219]
1.3铸件结构及铸造工艺介绍
[0220]
1.3.1铸件结构介绍
[0221]
铸件总重量2.27kg，外轮廓尺寸为160
×
160
×
160mm，最大壁厚32mm，最小壁厚5mm。铸件整体上根据壁厚可以分为三个部分：铸件上部竖直圆柱套筒，壁厚为6.5mm；铸件圆角三棱柱颈部，截面积约为600mm2，其上部有横向通孔和纵向盲孔，两者在内部相交；铸件下部圆柱套筒及底板，圆柱套筒壁厚12mm，底板高20mm，其中上部有短圆柱套筒和横向套筒垂直相交，内有阶梯圆孔。铸件三个部分壁厚相差较大，在相交部分容易产生热节，从而出现缩松、缩孔、冷缩现象，引起应力集中；铸件内部孔洞较多，需要使用较多砂芯进行造型，且尺寸变化较大，在凝固冷却时金属液和砂芯相互作用以及不同壁厚冷却时间不同，造成机械阻碍应力和热应力的产生，如图3所示。
[0222]
1.3.2初始方案工艺参数设计
[0223]
铸件材料为铝合金zl114a(zalsi7mg1a)，该合金是在zl101a的基础上增加合金元素镁的含量而发展的品种，而且具有优良的铸造性能以及较高的强度和耐蚀性能。该合金液相线为616℃，固相线为556℃，室温(20℃)下密度为2730kg/m3，主要成分及含量如表2所示。铸造砂型材料选用酯固化碱性酚醛树脂砂，其具有强度高、溃散性好、易清理且铸件尺寸精度高等优点。具体成分如表3所示。
[0224]
表2 铝合金zl114a成分含量表
[0225][0226]
表3 酯固化碱性酚醛树脂砂成分含量表
[0227][0228]
对于砂型铸造而言，浇注温度、浇注速度和铸模温度是主要的工艺参数，直接关系到铸件的质量。铸造温度对液态金属的充型能力由决定性的影响，浇注温度提高，增加了合金的过热热量，提高了金属液的流动性，充型能力改善。但浇注温度过高，金属液吸气量增加，氧化现象加重，容易在厚壁处产生针孔、缩孔和夹杂，出现变形和开裂的倾向增加。浇注温度过低，金属液充型能力不够，容易出现冷隔、流纹、浇不足等缺陷。为获得理想的铸件性能，浇铸温度应控制在液相线以上10～110℃范围内，即626～726℃。
[0229]
浇注速度主要通过影响充型和凝固的温度梯度来影响铸件质量。浇注速度越大，金属液充型能力越好。但过大的浇注速度会导致喷射和飞溅现象，增加金属氧化，而且型腔内气体来不及排除，反而会形成浇不足或者冷隔缺陷。较低的浇注速度会减小金属液的温度梯度，减少缩松缩孔的产生，降低热应力水平。但过低的浇注速度会使金属液充型能力不足，型腔受热烘烤时间长导致型腔翘起脱落，造成浇不足、冷隔和夹渣缺陷。在铸造实践中，通常通过控制浇注时间来控制浇注速度，并得出如下经验公式：
[0230]
t＝agn[0231]
其中，对于铝合金系数a＝2.4，n＝0.387，g取铸件质量的2.5倍，带入相关数据可得理论浇注时间t＝5.02s。
[0232]
模具温度决定了凝固和冷却初期的温度降低速度。较高的模具温度能提高金属液的流动性，防止缩松的产生，但较长的冷却温度导致晶粒粗大，力学性能下降。较低的模具温度会增大冷却速度，细化晶粒，但过快的冷却可能会产生冷隔和浇不足，同时产生的残余应力和结晶偏析。
[0233]
1.3.3初始浇注系统设计
[0234]
原浇注系统采用顶浇式，即金属液从铸型上部浇注沿着浇口杯和主浇道进入型腔，由下至上充满整个型腔。这种浇注系统设计简单，容易充满且造型和清砂方便，但是对砂型的冲击力较大，金属液容易产生喷溅额氧化，导致砂眼、气孔、夹渣等缺陷的产生。浇口杯和主浇道除了具有引导金属液的作用外还能储存液态金属，在铸件冷却时补给金属，防止产生缩松缩孔，并能起到集渣和排气的作用，如图4所示。
[0235]
2、铸造过程数值模拟
[0236]
以上结果均基于对铸件结构和浇注方案的理论分析，并没有形象准确的结果，更难以进行量化加过以提供改进意见，因此需要对铸件进行数值模拟。
[0237]
铸件铸造数值模拟过程可以分为前处理，计算，后处理三个部分，同时在前处理之前应对模型进行必要的简化修改处理以简化运算，提高运算效率。将划分网格、设定边界条件和热物性参数的模型投入求解器中便可以模拟结果，对结果中的浇注、凝固和冷却过程进行分析就可以发现铸件的缺陷用于后续的方案改进。
[0238]
2.1数值模拟前处理
[0239]
2.1.1模型预处理
[0240]
根据铸件图纸使用cad软件建立1：1模型，并对铸件进行合理的修改和简化：
[0241]
(1)铸件颈部横向通孔和竖向盲孔直径(9mm)小于砂型最小铸出孔直径(20mm)，且长度较长，难以通过铸造造型，可以通过后期机加工钻孔，因此在铸造模拟前去除这两个长孔。
[0242]
(2)砂型和砂芯材料相似，相关参数相近，所以不对砂型单独建模，而是将其作为砂箱的一部分。忽略砂型(砂芯)和金属液的气隙等接触问题，且将其作为弹塑性性力学模型处理。
[0243]
(3)由于加工余量、铸造收缩率、起模斜度、铸造圆角等因素对铸件外形尺寸和形状影响较小，对精确模拟结果作用不大，故不作考虑。
[0244]
2.1.2模型前处理
[0245]
如图5所示，将预处理过的模型导入procast软件的visual-mesh模块进行网格划分。首先需要为模型添加虚拟砂箱，尺寸为300
×
300
×
250mm；面网格类型为三角形，尺寸设定为10mm，对模型和虚拟砂型表面进行网格划分，总数为15162个；面网格检查合格后，将面网格转换为体网格，类型为四面体、六节点单元，总数为135383个。
[0246]
合理设置边界条件和材料热物性参数是保证模拟结果准确的关键。首先需要保证两者浇注方向和重力方向一致，重力加速度取为9.80m/s2；为模型赋予材料，铸型选用enac-42100alsi7mg0.3，其成分性能与zl114a相近，冷却速度为10k/s，初始温度为浇注温度即700℃，力学模型为弹塑性模型，相关特性如图6所示。砂型采用resin bonded sand(树脂砂)，初始温度为室温(20℃)，力学模型设定为弹塑性模型。
[0247]
砂型和金属的界面换热参数设置为500w/m2·
k，砂型和外界空气的换热系数为10w/m2·
k，冷却方式为空冷至室温。根据合金性能和浇注条件，浇注时间定为10s，浇注速度为0.204kg/s。浇注温度设置为700℃。为了得到模型应力场，需要对砂型进行约束，约束面为除浇口外所有的外表面，位移设置为0。
[0248]
2.2模拟结果分析
[0249]
2.2.1浇注过程分析
[0250]
由充型过程流动场云图8可以看出，t＝0s时浇注过程开始，金属液经过浇口杯和直浇道进入型腔，型腔颈部充当内浇道。t＝1.68s时金属液前端抵达型腔底部，液流中下半部分速度超过0.895m/s，同时液流前端出现了浇注过程中的最高速度：1.492m/s。英国伯明翰大学的john.campbell等人的研究表明，铝合金金属液的充型临界速度为0.5m/s左右，本模型浇注速度远远高于临界速度。金属液内部压力大于金属液表面压力，液态金属冲破液流表面金属氧化膜，氧化膜破裂后被卷入液态金属内部导致氧化夹渣的产生。t＝1.68s时，金属液首先充满圆盘外围，通过图7的(a)可以看到两股方向相反的金属液流在中间汇合，造成了对流的产生，可能会将金属液流表面的氧化物和砂子带入液流内部，同时卷入了大量空气。t＝13.04s时，金属液充满底盘，金属液充满铸件下部的两侧，并准备以两个方向填充铸件中间部分。图7的(b)显示了此时的液流方向，由于铸型内液面高度高于内浇道液面高度，靠近内浇道口附件液流方向杂乱无章，互相冲击。t＝17.21s时，金属液开始填充铸件上半部分，金属液由下到上逐步填满上部型腔。但由图7的(c)看以看出金属在开始进入型
腔时，有一股金属液流液面高度和速度远高于周围液流，明显出现了射流现象，这样会导致这股液流下方的空气被裹卷入金属池中，导致气孔的产生。t＝17.89s，浇注过程完成，金属液完全充满型腔。
[0251]
在浇注过程中，由于内浇道截面尺寸大于直浇道尺寸，金属液流并未完全充满内浇道，流速过大，这些都为紊流的产生创造了条件，金属液流截面积大小的时刻变化印证这了一点。此外在铸型和已填充金属液的阻碍作用下，金属液在较短的距离里由较高速度降至静止状态，由此产生的对铸型和已填充金属液的冲击力是较大的，从而会导致金属液飞溅和对砂型的冲刷，造成气孔和和砂眼的产生。
[0252]
2.2.2凝固过程分析
[0253]
从凝固过程固态率云图10可以看出，t＝20.18s，凝固过程由底盘外缘耳朵处开始，由于该处最早被充型，远离铸件主体且壁厚较薄，温度迅速降至固相线以下。t＝75.88s，铸件上部开始凝固，可以看到铸件上部外侧固态率最高，凝固进行较为彻底，原内浇道及浇冒口位置此时尚未完全凝固。但由于铝合金收缩率较大，原内浇道位置形成了较大的冷缩现象，浇冒口虽然具有补缩能力，但浇冒口内储蓄的金属液不足以完全补缩，所以形成了较大的空洞。t＝235.88s，铸件上部凝固完成，铸件底盘由外向内铸件凝固，铸件下部凝固进程较慢，尤其是中间套管内部及其下方。t＝315.88s，铸件下部圆盘完全凝固，套管上部和外壁中间尚未凝固，由于套管内部壁厚较大，距离散热面较远，凝固进度缓慢。t＝385.88s，铸件外部基本凝固完成，但下部中央仍有部分未凝固区域。t＝525.88s，铸件全部凝固，用时505.7s。
[0254]
由以上过程可以看到，铸件并未遵守顺序凝固的原则，铸件上部首先凝固，其次是底部圆盘区域，套管部位最慢。从热节分布云图9上可以看出，铸件下部中心部位和组件上部外侧形成了热节，这些部位迟于周围部位凝固，导致金属液流向先凝固部位冷缩形成的孔洞内，最后没有足够的金属液进行补缩，形成较大区域的缩松缩孔。底部圆盘外围和内部凝固相差时间较长，首先凝固的部位会受到热应力的影响会积累较大的残余应力。
[0255]
2.2.3铸件冷却结果分析
[0256]
从图11的(a)和(b)上来看，铸件大部分外形完整，没有产生冷隔浇现象。但铸件上部由于未能完全补缩形成较大洞穴。由于铝合金在糊状凝固过程中液固界面前沿冷却到结晶温度后形成了金属骨架，金属液在凝固收缩的作用下在枝晶间进行流动补缩，随着凝固的进行，固相率增大，补缩通道逐渐变窄直到消失，导致在最后凝固的部位形成孤立液相区，金属液冷却收缩不能得到补充，形成缩松。套筒内部较晚凝固，最终产生了大面积缩松缩孔，部分缩松延伸至外表面，最大缩松率为91.25％，总体积约为52.77，缺陷的体积分数为4.7％。
[0257]
由图11的(c)可以看出，铸件套筒等较晚凝固的部位残余应力较小，在53.7mpa以下，铸件上部外侧和底部圆盘等提前凝固的部位残余应力表现较差，均在85.9mpa及以上水平。这是因为在凝固和冷却过程中，铸件上部外侧和底部圆盘由于壁厚较薄，模数较大，冷却速度快，在冷却开始阶段这些部位的收缩大于其他部分的收缩，导致自身受到拉伸应力；当继续冷却到铸件都在弹性阶段时，较早凝固部位收缩已经完成，较晚凝固部位仍有较大收缩，两者相互制约导致较早凝固部分受到较大压缩应力，壁厚差异越大的地方这种趋势越为明显。此外铸件上部和铸件颈部的交界处、铸件颈部和铸件下部的交界处由于是直角
转角，未设置铸造圆角，导致了受力截面积突变，也积累了较大的残余应力。
[0258]
3、工艺优化
[0259]
通过以上试验分析发现，原始浇注方案存在重大缺陷，需要从改进浇注方案和优化工艺参数两方面进行优化。改进后的浇注方案应符合铝合金的铸造特点，减小冲击、紊流等现象并保证铸件外形完整；优化工艺参数应着眼于降低残余应力水平。此外，由于需要对结果进行量化分析，排除网格质量对模拟结果的干扰是必要的。
[0260]
3.1改进浇注方案设计
[0261]
浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置，浇注位置的确定应着眼于控制铸件的凝固顺序，实现由下至上顺序凝固的铸件可以消除铸造、缩松和气孔，方便安置冒口，保证获得致密的铸件。由凝固时间云图可知，原始浇注方案下的铸件大体由上至下逆顺序凝固，导致上方金属液难以顺利进行有效补缩，最终导致在下部产生严重缩松缩孔。因此在改进浇注方案中，铸件被上下颠倒放置，保证在下方金属液凝固时，上方金属液可以进行流进孔洞中进行补缩，最终冒口内金属液最后凝固，将缩松缩孔转移进上方冒口和浇注系统内。此外该工件尺寸重量中等，反转工件不会占用太多工时，也不会给造型开箱造成困难。对于铝合金而言，由于其易氧化、卷气，因此平稳充型，因此改进浇注方案为底浇式，合金液自下向上平稳充型。这种方式最大的优点在于其反重力充型过程中，液面平稳不会出现明显的紊流和卷气现象，能有效的进行排气，是目前铸造铝合金中最普遍的浇注方式。
[0262]
改进浇注方案浇注系统各截面面积关系遵守开放式浇注系统准则，即内浇道截面积最大，横浇道次之，直浇道最小。采用这种浇注系统使得液态金属进入型腔时流速小，充型平稳，对砂型的冲刷力小，符合铝合金浇注要求。本方案采用的各截面比例为a
直
：a
横
：a
内
＝1：2：2。铝合金浇注系统各组元截面积虽然可以计算，但通常采用经验法确定。首先需要确定阻流面积尺寸，也就是直浇道截面尺寸。改铸件重量为2.313kg，由表4可以确定a
直
＝2cm2，由比例关系可以推算出a
内
＝4cm2，a
横
＝4cm2。
[0263]
为保证浇注阶段初期金属液在下落过程中与直浇道壁接触以减小气隙，控制液流紊流和卷气的产生，直浇道形状设计为上大下小的直锥形，由直浇道截面面积可得下表面截面半径为16mm，斜度为2
°
，高度为略高于冒口高度，以提供足够的充型压力头，保证铸件轮廓和棱角清晰。在直浇道上方设置圆锥形浇口杯以方便浇注，浇口杯上表面直径为55mm，高度为35mm，下表面直径和直浇道上表面直径保持一致，浇口杯整体位于砂箱上表面以下。横浇道形状为上大下小的高梯形，以提高对液流的摩擦力来减缓液流速度，并将杂质沉积在横浇道底部，由横截面积和经验法则可以计算出横浇道上底长30mm，下底长20mm，高16mm，为简化运算，不设置圆角。内浇道同样设置为梯形，尺寸和内浇道类似。同时为保证不在内浇道口附近产生热节，梯形厚度约为内浇道口所在铸件区域壁厚的1/2。内浇道开在横浇道顶部以防止在浇注过程中横浇道尚未充满时，杂质就进入内浇道，而不能留在横浇道顶部。
[0264]
由于金属液在直浇道里受到重力的作用不断加速，会不断冲击和横浇道的连接处，造成夹砂和紊流，并且拐角处会形成缩流断面问题，造成横浇道无法完整充型，易裹气并传输进入型腔，因此在连接处设置直浇道窝是必要的。根据一般经验浇窝的优化尺寸一般为直径是直浇道出口直径的2倍即直径为32mm，高度是横浇道高度的2倍即32mm。直浇道窝设置向内5
°
的斜度并将上表面和横浇道平齐来让金属液先充满直浇道窝，后进入横浇道
内，起到减缓冲击和降低流速的作用。同理，在横浇道末端设置延长段，来减小金属液进入型腔的速度，防止金属液喷溅导致卷气和紊流。
[0265]
由于铸件底盘和套管处具较大的缩孔缩松倾向，且距离内浇道口较远，难以得到补缩，所以需要设置冒口在浇注时临时储存金属液，在相关部位凝固冷却时提供液态金属用以补充孔洞。由于zl114a铝合金呈糊状凝固，导热快，冒口补缩距离短，难以对套管内表面附近的缩松进行修补，所以需要在套管外表面设置冷铁。冷铁可以增大冒口附近的温度梯度，显著提高冒口的补缩距离；此外冷铁可以降低冷铁可以在浇注时提供激冷环境，细化晶粒，提高力学性能。在优化方案中，冒口采用圆柱形冒口以减小模数，并在结合部适当收缩便于后期切割；冷铁采用铸铁外冷铁，便于后期分离，造价低廉且导热性能好。为减小上下套管和颈部交界部位的应力集中现象，在转角处设置r＝3mm的铸造圆角，最终设计结果如图12所示。
[0266]
表4 铝合金直浇道尺寸表
[0267][0268]
3.2改进方案模拟结果分析
[0269]
3.2.1改进方案浇注过程分析
[0270]
由浇注过程图13可以看出，浇注过程由0s开始，金属液开始进入直浇道。1.43s时，金属液填满直浇道窝后进入横浇道。金属液完全充满直浇道中下部，同一高度液流速度和方向大致相同，无紊流现象，且直浇道窝减速效应十分明显，由入口的1m/s左右降至0.2m/s，出口流速稳定在0.47m/s左右，小于临界速度。2.07s时，金属液充满横浇道折返后进入型腔内，内浇道入口速度0.238m/s，对型腔几乎没有冲击作用。3.91s时，金属液充满下部型腔，进入颈部。12.74s时，金属液开始充满底盘，底盘各部分金属液高度几乎一致，没有充型不同步的现象。16.15s时，金属液充满上方冒口，浇注结束。浇注过程中，金属液先后经过浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、横浇道延长段、内浇道后进入型腔，金属液液流同一截面内速度和方向保持一致，充型速度均在0.5m/s临界速度之下，整体上由下至上平稳缓慢充满型腔，没有飞溅、裹气、紊流等现象。
[0271]
3.2.2改进方案凝固过程分析
[0272]
由图14可得26.78s时，凝固过程由底盘外边缘开始。136.66s时，铸件外边缘开始凝固，铸型下方套筒基本完成凝固，符合预定凝固顺序。176.66s时，铸型下方凝固完成，铸件颈部由上至下固态率铸件减小，套筒外边缘开始凝固。256.66s时，除底盘中央和颈部与套筒的结合处等壁厚部位，其他部位基本完成凝固。346.66s时，铸件大部分凝固完成，最上方最晚凝固，其中冒口及其与铸件结合部位固态率为60％左右，说明冒口仍具有补缩能力。496.6s，铸件凝固完成。由凝固时间云图15可以看出，整个凝固过程基本遵循由下至上顺序凝固的准则，冒口最后凝固并保持着补缩能力，最终得到的铸件外形完整，轮廓清晰。
[0273]
3.3.3改进方案冷却结果分析
[0274]
由图16可以看出，冷却结束后外表面无明显凹坑，内部成型完整。通过缩松率分布云图可知，无缩松率为100％的区域，即铸件整体没有缩松缩孔造成的孔洞存在，此外缩松率10％以上的体积为26.79cm2，较原始方案降低50％，且最大缩松率分布在底盘中央位置，对工件的使用性能不会产生影响，后期可通过机加工切削去除。由残余应力分布云图上可以看出，套筒中央部位残余应力在较低的水平，底盘边缘和颈部下方由于较早凝固，残余应力较大，但数值上较原始方案有所降低。
[0275]
3.4网格尺寸试验
[0276]
网格数量和质量直接关系到模拟的效率和精度，网格的数量决定了节点和单元的数量，网格的质量决定了运算结果是否收敛。网格质量的改进可以通过修饰模型和procast的网格修复工具来实现，但网格数量通常由使用者的经验来确定，难以保证结果的准确性。在procast的mesh模块中，首先需要对模型的完整性和实体交叉情况进行检查，并通过装配实体来消除重复面；然后确定模型各部分面网格的尺寸并生成三角形面网格，对面网格的质量进行检查并修复；随后在面网格的基础上生成四面体体网格，随后的计算将基于体网格及其节点进行。由以上过程可知，面网格的尺寸决定了单元和节点的数量和质量。网格尺寸越小，单元和节点数量越多，有限元的单元法的拟合结果越精确，同时计算量也将大大增大，使用更多的计算和存储资源，效率难以提高。网格尺寸越大，单元和节点数量越少，计算速度会有明显的提升，但导致难以对一些较为精细的部位进行准确的离散化处理，技术结果精确度也会难以保证，尤其是会对量化分析造成不利影响。因此，平衡计算效率和计算精度是对模型模拟技术和量化分析的前提，以往的经验法难以给出科学准确的解释，本实验将设置如下面网格尺寸梯度，以改进浇注方案得到的铸件的平均应力作为指标，为后续的分析确定合适的单元尺寸和数量。面网格尺寸和生成的体网格数量如表5所示。
[0277]
对以上试验方案分别进项前处理和模拟计算，任意选取两个点的残余应力的计算结果和整个铸件的平均残余应力作为考察指标，可以得到图17。由图可以看出，随着单元尺寸的减小，残余应力的计算结果出现了先减小后平稳的趋势，其中面网格尺寸为5mm和10mm的计算结果相差不大，说明计算结果逐渐收敛。为在保证计算结果的准确性的同时提高计算效率和减小结果文件占用存储空间，将铸件网格尺寸定为7mm，冷铁、冒口、砂箱等其余部分定为10mm。
[0278]
表5 面网格尺寸和体网格数量对照表
[0279][0280]
3.5正交实验设计参数优化
[0281]
通过浇注系统的改进，铸件表面孔洞等缺陷已经消失，缩松缩孔现象大幅度降低，应力表现也有所改善，后续的优化将通过正交实验设计来探究三个主要的浇注工艺参数对残余应力影响以及最佳的参数组合。正交实验设计是利用正交表科学安排与分析多因素试验的方法，通过该方法，可以将试验点均匀分布从而具有和全面试验相同的可靠性。通过对少数实验方案的统计分析推出较优的方案而且说的得到的优方案往往不包含在这些少数方案中，还能得到实验结果之外的更多信息，如实验结果影响的重要程度、各因素对试验结果的影响趋势等。
[0282]
首先确定平均残余应力为试验指标，用来量化试验结果。影响试验结果的因素有浇注温度(a)，浇注时间(b)和铸模温度(c)，每个因素设定三个水平，并将水平数值进行随机化处理以避免人为因素造成的系统误差，得到因素水平表如表6所示。选用四因素三水平的正交表l9(34)，将空白列放在第二列，根据正交表可设计试验方案如表7所示。
[0283]
表6 因素水平对照表
[0284][0285]
表7 试验方案组合表
[0286][0287]
3.6试验结果分析据分析
[0288]
使用procast软件分别模拟运算试验方案，得到数据如表8所示。
[0289]
使用直观分析法得到如下表，其中ki表示人一列水平号为i时，所对应的试验结果之和；ki＝ki/3，表示任一列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值；r称为极差，是任意一列上实验结果最大值与最小值之差。ki和ki的大小说明了该因素在不同水平下试验结果的优劣。对于a(浇注温度)因素，k2《k1《k3，即应取水平2，即670℃；对于b(浇注时间)因素，k1《k3《k2，应取水平1，即5s；对于c(铸型温度)因素，k1《k3《k3，应取水平1，即20摄氏度。综上所述，优方案为a2b1c1，即浇注工艺参数为浇注温度为670℃，浇注时间为5s，铸型温度为20℃。
[0290]
极差的不同说明各因素的水平对实验结果的影响是不同的，极差越大说明该列的数值在实验范围内的变化会导致实验指标在数值上产生更大的变化，也就是会对试验结果产生更大影响。由s3》s2》s1得，浇注速度对铸件残余应力影响最大，铸型温度次之，浇注温度影响最小。为更直观观察结果，可由试验结果制成趋势图18。
[0291]
表8 试验结果
[0292][0293]
表9 直观分析法数据处理
[0294][0295]
3.7优化结果
[0296]
根据正交试验设计得出的优方案进行模拟试验可得结果如图19所示，外观完整，轮廓清晰；缩松缩孔体积降至19.77cm3，较原始方案降低62.5％，最大缩松率降至55.18％，且分布在表面，对工件性能影响不大；平均残余应力降至63.18mpa，优化效果明显。
[0297]
4、结果
[0298]
本发明对运用procast某工程铸件的铸造加工过程进行了数值模拟，发现了铸造方案的不足，根据模拟结果设计了优化改进方案，并通过模拟实验验证，具体结果如下：
[0299]
(1)通过对铸件结构及浇注系统进行初步分析，发现铸件各部分壁厚差异较大容易产生残余应力集中现象，且部分位置散热条件不佳容易产生热节导致缩松缩孔缺陷，浇注系统不符合铝合金浇注特点导致金属液流速过大。后续的模拟实验结果基本符合这些分析，验证了数值模拟的准确性。
[0300]
(2)对原始浇注模型进行前处理并模拟计算，结果分析发现浇注过程中，金属液流发生了紊流、喷射、飞溅现象，并对型腔造成较大冲击；在凝固过程中，工件由上至下逆顺序凝固，上方出现了冷缩导致浇不足现象；冷却结束后，工件横向套筒中央部位出现了大面积缩松缩孔，铸件边缘残余应力较大。
[0301]
(3)针对以上铸造缺陷，本发明重新设计了浇注系统，采用底浇式浇注方案，设置直浇道窝和横浇道延长段以减小流速和冲击，设置冒口和冷铁以减小缩松缩孔体积。通过模拟实验结果表明，以上改进均取得了明显效果，浇不足现象消失，缩松缩孔体积大大减小，残余应力表现也有所改善。
[0302]
(4)为进一步减小工件的残余应力水平，本发明采用正交试验设计来优化浇注温度、浇注时间、铸型温度这三个主要浇注参数，得到了较优方案：浇注温度为670℃，浇注时间为5秒，铸型温度为20℃。本发明还发现浇注时间对残余应力结果影响最大，铸型温度次之，浇注温度最小。
[0303]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系
统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0304]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。