鑄件凝固過程中熱應力場及熱裂的數(shù)值模擬研究分析

1、鑄件凝固過程中熱應力場及熱裂的數(shù)值模擬研究分析         1鑄件凝固過程數(shù)值模擬的意義及概況自1962年丹麥Fround第1個采用電子計算機模擬鑄件凝固過程以來，計算機在鑄造工藝研究中得到了廣泛的應用，如凝固過程溫度場、熱應力場的數(shù)值模擬，充型過程流速場的數(shù)值模擬；組織形態(tài)及力學性能的數(shù)值模擬等。通過這些單1或復合過程的數(shù)值模擬，可以分析鑄件中存在的各種缺陷的產(chǎn)生原因，進而采取相應工藝措施來消除缺陷，實現(xiàn)工藝優(yōu)化，同時可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，縮短產(chǎn)品從設計到應用的周期，增強產(chǎn)品的市場競爭能力。如今，在芬蘭，90

2、%以上的鑄造廠在日常中應用鑄造模擬軟件輔助鑄造工藝設計；世界上一些大型的汽車公司的鑄造廠，如美國的通用、福特，德國的奔馳等，都把數(shù)值模擬軟件作為1種日常工具來使用。近10年來，涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀的鑄造過程數(shù)值模擬軟件，如美國的ProCast、德國的MAGMASoft、芬蘭的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法國的SIMULOR軟件等。從功能上看，許多軟件可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、壓力鑄造等多種工藝進行溫度場、流場、應力場的數(shù)值模擬，可以預測鑄件的縮孔、縮松、裂紋等缺陷和鑄件各部位的組織。國內(nèi)在經(jīng)歷了10多年的基礎研究和發(fā)展后，也出現(xiàn)了一些技術水平接近國外商品

3、化的應用軟件，可以進行鑄鋼、鑄鐵件砂型鑄造時的三維溫度場模擬及收縮缺陷的預測，以及對鑄鋼、鋁合金件的熱應力場進行模擬。總的來說，國外軟件的通用性強，能進行鑄造全過程的數(shù)值模擬，并具有較強的后置處理功能及友好的用戶界面。建模方便，易于模型設計和修改，便于用戶掌握和使用。其計算精度與運算速度等方面也能滿足需要。正因為如此，國外模擬軟件已經(jīng)成為實際生產(chǎn)中的有力工具.國內(nèi)不少用戶趨向于采用大型通用工程軟件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等進行模擬計算。    2數(shù)值模擬的基礎性研究    2.1鑄件凝固過程溫度場數(shù)值模擬經(jīng)過幾十年的發(fā)

4、展，鑄件凝固過程溫度場數(shù)值模擬技術已日臻成熟?，F(xiàn)在可以采用有限差分法、有限元法、DFF格式、Solyef格式等進行溫度值的計算，邊界條件處理方法有N方程法、溫差函數(shù)法、點熱流法、綜合熱阻法、動態(tài)邊界條件法等，潛熱的處理方法有溫度回升法、熱函法、固相率法等；在溫度場模擬的基礎上，進行了鑄件凝固過程縮孔、縮松計算判據(jù)的研究，其成果得到了不同程度的實驗和生產(chǎn)驗證，從而又推動研究向深化、實用化方向發(fā)展。    2.2鑄件熱應力場的數(shù)值模擬研究計算鑄造應力的力學模型主要有彈性模型、彈性-蠕變模型、熱彈塑性模型和熱彈塑性蠕變模型。其中大部分采用了熱彈塑性(蠕變)模型，通過開發(fā)

5、有限元軟件或借助大型工程有限元軟件(如ANSYS、ABSQUS、ADINA等都帶有一般力學模型)來模擬、研究材料的高溫應力應變行為?，F(xiàn)在，人們主要對鑄鋼、鋁硅、鋁銅合金等進行了熱應力場數(shù)值模擬，并取得了一些成果。例如人們進行了應力框、中空軸鑄鋼件、氣輪機缸體等的熱應力場的模擬研究。 通過研究發(fā)現(xiàn)，當合金凝固到液相線溫度以下的某一溫度，即顯示出了強度和應變，隨著溫度的進一步降低，強度逐漸增加，當達到固相線溫度時，強度和應變都急劇增加。如果把合金凝固過程中開始顯示強度的溫度定義為準固相線，則合金在凝固區(qū)間以準固相線為界，可以分為有強度的準固相區(qū)和無強度的準液相區(qū)。因此鑄件凝固過程應力場數(shù)值模擬須同

6、時考慮準固相區(qū)和固相線以下的溫度范圍。當溫度達到固相線溫度以下時，鑄件已經(jīng)凝固結束，此時僅表現(xiàn)為熱彈塑性問題。當合金處于準固態(tài)時，其強度和延伸率都很低，如果鑄件收縮受阻，很容易產(chǎn)生裂紋。但是，合金在準固態(tài)的力學行為，尤其是本構方程等方面的數(shù)據(jù)缺乏，因而建立高溫準固相區(qū)力學本構方程是進行鑄件凝固過程熱應力場模擬的關鍵。而現(xiàn)在用來計算熱應力場的熱彈塑性模型及其他一般力學模型不能準確地描述固相線以上溫度區(qū)間的流變規(guī)律，因此，把簡單的流體模型和力學模型組合，提出了流變學模型來研究合金在高溫的力學行為。應用流變學模型就能更加確切地描述鑄件在準固相區(qū)的流變規(guī)律，從而準確地反映流變的時變性，為熱裂研究與預測

7、提供條件。應用流變學理論研究鑄件熱應力場，其先決條件是鑄造合金流變參數(shù)的測定。目前人們主要測定了鑄鋼(如ZG35、ZG45等)和鋁合金(如ZL203、Al-Cu、亞共晶Al-Si合金等)的流變性能，并且得出上述鑄造合金幾乎完全符合HHNNS5元件流變學模型，式中，H、N和S分別表示虎克體、牛頓體和圣維南體，“-”和“”分別表示串聯(lián)和并聯(lián)關系，其機械模型，如圖1。圖1固液共存區(qū)5元件流變模型Fig.1The mechanical model of HHNNS 陳軍、程眉等人通過對鋁硅合金流變性能的研究，指出合金在準固態(tài)具有彈性、粘彈性和粘塑性的特征，得出流變模型的結構式，由此而得到鋁硅合金準固態(tài)

8、應力應變本構關系的數(shù)學表達式，并用自行開發(fā)的有限元軟件進行了倒“T”字形Al-4.87%Si合金帶熱節(jié)軸對稱鑄件凝固過程熱應力數(shù)值模擬，準確地預測了鑄件凝固過程的熱應力變化?？颠M武等人在溫度場模擬的基礎上采用增量法計算熱應力及Hooke體、Bingham體和Kelvin體的應變，推出了鑄鋼材料流變學5元件模型的本構方程。然后對1端帶約束1端帶熱節(jié)的鑄鋼件(25#鋼)進行了凝固過程應力應變數(shù)值模擬。并得出了以下結論：隨凝固過程的進行，在熱節(jié)Bingham體的應變急劇增大，而Hooke體的應變減??；指出Bingham體的應變是影響熱裂的重要因素。賈寶仟，等人，采用流變學模型對材質(zhì)為ZG45的熱裂試

9、棒進行了準固態(tài)區(qū)域應力、應變數(shù)值模擬指出：在同1條件下，凝固過程中加冷鐵時的應變比不加冷鐵時小，而應力卻與此相反，而且澆注溫度越高，凝固過程中及凝固完成畢時應力較?。粺崃咽欠癜l(fā)生取決于大于屈服應力的應力與應變時間的共同作用，由Bingham體應變是否超過塑性儲備值決定。    2.3鑄件熱裂數(shù)值模擬研究熱裂是鑄件最嚴重的缺陷之一，本世紀初，鑄造工作者就開始了熱裂形成機理的研究。以前，將鑄件在凝固區(qū)間的變形都歸結于塑性變形，但是卡西爾哲夫根據(jù)流變學計算的結果表明，鑄件在固液區(qū)的變形不僅有塑性變形，而且有彈性變形和粘彈性變形；現(xiàn)在人們把鑄件凝固過程中的固液2相區(qū)分為無

10、強度的準液相區(qū)和有強度的準固相區(qū)，而熱裂發(fā)生在準固相區(qū)。因此熱裂的形成與準固相區(qū)的流變行為密切相關。現(xiàn)在預測裂紋的模型大概可以分為以下4類：(1)凝固條件和補縮模型該模型是從鑄件的凝固和補縮狀況來預測鑄件的熱裂紋。其代表人物有Clyne T W6和Feurer U。Clyne T W把凝固中的熱節(jié)分為應力松馳階段、易裂階段和不產(chǎn)生裂紋階段。他根據(jù)松馳階段和易裂階段的時間之比來確定熱裂產(chǎn)生的可能性，其結果在2元鋁合金中得以證實。Feurer U認為熱裂是因合金的凝固收縮不能被充分補縮而形成的，并提出：若補縮充分，則不產(chǎn)生熱裂，反之則會發(fā)生熱裂。Sahm P R8在鑄件溫度場模擬的基礎上，以鑄件凝

11、固前沿的移動速度和凝固殼受阻部位的收縮速率之比作為預測熱裂紋的判據(jù)，以鑄鋼件為例，建立了熱裂產(chǎn)生的判據(jù)。但是，基于凝固條件與補縮能力的熱裂預測只考慮了溫度場或合金流動的連續(xù)性，而未考慮鑄件力學結構方面的連續(xù)性，還不能預測具有一定力學結構鑄件(如應力框)的熱裂趨勢。(2)基于應力應變場的熱裂數(shù)值模擬模型在應力應變場模擬的基礎上，根據(jù)牛頓第一強度理論、第二強度理論來判斷熱裂是否產(chǎn)生，即是以鑄件在接近固相線溫度時的熱應力值是否達到或超過對應溫度下材料的強度極限為形成熱裂的判據(jù)。但這種理論的前提是鑄件凝固過程中表現(xiàn)為彈性變性，而鑄件在準固相區(qū)的流動不僅具有彈性變形，還具有粘彈性變形和塑性變形。因此這種

12、模型在預測裂紋方面也存在一定的不足。(3)鑄件熱裂的一維受阻模型由于熱裂通常產(chǎn)生在熱節(jié)處，人們對帶熱節(jié)的棒形件的熱裂形成進行了研究。鑄件熱裂的一維受阻模型正是從集中變形及兩端約束這一思路出發(fā)的，但是一維受阻模型的熱裂模擬主要考慮了試棒2端受阻的熱裂情況，這一簡單理想模型與實際情況還有一定的差距。(4)基于流變學模型的熱裂模擬熱裂的形成與凝固過程的應力、應變密切相關，因此，基于鑄造合金液固態(tài)共存區(qū)域的流變模型，利用數(shù)值模擬技術研究實驗鑄件凝固過程中的應力、應變、探索熱裂發(fā)生和擴展的流變現(xiàn)象，對熱裂的形成的認識以及熱裂的定量化預測具有重要意義。采用流變學理論來研究鑄件熱裂的關鍵是鑄造合金流變性能參

13、數(shù)的確定。目前已對Al-Si合金、Al-Cu合金等鋁合金以及ZG35、ZG45、624鋼、ZG15CrMoV等材料進行了流變性能參數(shù)的測試，建立了上述鑄造合金的流變學模型，其機械模型圖，如圖1所示，并建立了單向拉伸時5元件流變模型的本構方程。如前所述，陳軍等人應用流變學理論建立了鋁硅合金準固態(tài)單向應力應變本構方程，開發(fā)了三維軸對稱鋁硅合金鑄件凝固過程的熱應力有限元分析軟件，用該軟件模擬計算了Al-4.87%Si合金帶熱節(jié)軸對稱鑄件凝固過程的熱應力分布，準確預測了該鑄件熱裂形成的時間和部位。賈寶仟等人也采用一維流變學模型探討了1端受約束、1端帶熱節(jié)的鑄鋼試件(ZG45)在數(shù)種工況下凝固過程中準固

14、相區(qū)應力應變數(shù)值模擬，對熱裂形成機制進行了討論，并認為：熱裂起源于賓漢體，是塑性變形超過賓漢體塑性儲備所致，受“類表面張力”的作用而擴展。由此可見，鑄件凝固時間越長，賓漢體的變形越大，熱裂越容易產(chǎn)生和擴展。由于鑄件溫度分布不均勻從而導致變形集中，處于該部位的賓漢體的變形愈大，則導致該處愈易產(chǎn)生熱裂，因此合適的冷鐵可有效地降低賓漢體應變集中，減小熱裂產(chǎn)生的可能性。KANG Jingwu，等人建立了HHNNS流變學模型的本構方程，指出合金處于準固相區(qū)時，在熱節(jié)處發(fā)生Bingham體應變集中以及Hooke體應變減少，而且隨著凝固過程的進行Bingham體應變增大；Bingham體應變隨澆注溫度的增加而顯著增大，隨鑄型初始溫度的增加而稍有增加，相反熱應力則減小。因此Bingham體應變是判斷熱裂形成的重要因素?？偟膩碚f，上述判據(jù)都把應力應變作為靜態(tài)處理，實際上在凝固過程中彈性應變、粘彈性應變和塑性應變都具有時變性，因此上述模型與實際應用還有很大的差距。如果提出1種綜合模型，以流變學模型為基礎，同時動態(tài)地考慮在凝固過程中的彈性應變、粘彈性應變和塑性應變，則能建立更準確的熱裂判據(jù)。    3結束語(1