f-mae模擬軟件中縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)的改進(jìn)

f-mae模擬軟件中縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)的改進(jìn)

通過(guò)對(duì)鑄造件的硬化值的模擬，可以預(yù)測(cè)鑄造件在硬化過(guò)程中形成的缺陷，避免缺陷，提高鑄造質(zhì)量。從凝固模擬的目的來(lái)看,鑄件縮孔縮松形成的預(yù)測(cè)是凝固模擬軟件的一項(xiàng)主要功能。這類軟件應(yīng)提供多種縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)供用戶選用,如AFSolid軟件的縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)就有10種之多。清華大學(xué)機(jī)械工程系計(jì)算機(jī)集成鑄造技術(shù)研究室(CIFT)在自主開(kāi)發(fā)的凝固模擬軟件FT-Star的基礎(chǔ)上,對(duì)縮孔縮松多種預(yù)測(cè)判據(jù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。1初始條件和邊界條件FT-Star軟件是一個(gè)鑄件充型凝固過(guò)程三維數(shù)值模擬分析系統(tǒng)。該軟件可以對(duì)鑄鋼、鑄鐵及有色合金鑄件充型凝固過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬,并對(duì)鑄件中可能出現(xiàn)的缺陷(如縮孔、縮松、熱裂等)進(jìn)行定量或定性的預(yù)測(cè)。該軟件集前處理、后處理和模擬計(jì)算于一體,內(nèi)置了開(kāi)放的常用鑄造合金和造型材料數(shù)據(jù)庫(kù)。軟件可以直接對(duì)三維鑄件實(shí)體造型進(jìn)行快速有限差分網(wǎng)格剖分。在給定邊界條件和鑄件的熱物性參數(shù)的條件下進(jìn)行流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可以通過(guò)功能豐富、直觀明了的后處理模塊顯示,并可以定性或者定量預(yù)測(cè)鑄件內(nèi)部的缺陷或者鑄件內(nèi)容易形成缺陷的區(qū)域,進(jìn)而對(duì)鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化、提高鑄件成品率。2縮孔縮松定量預(yù)測(cè)的必要性鑄件縮孔縮松形成的模擬預(yù)測(cè)是控制鑄件內(nèi)部質(zhì)量的一種重要手段,也是FT-Star數(shù)值凝固模擬軟件的主要功能之一。由于在中大型鑄件中大多是鑄鋼件,鑄鋼件縮孔縮松判據(jù)的應(yīng)用研究就顯得非常重要。鑄鋼件的縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展。從最初的定性判據(jù)如溫度場(chǎng)熱節(jié)法、G/√R(GG/R√(G為溫度梯度,R為凝固速率)法,到后來(lái)的定量判據(jù),如等效液面收縮量法、多個(gè)孤立域熔池法和多熱節(jié)即縮即補(bǔ)法。目前這些定量判據(jù)已經(jīng)能夠比較精確地預(yù)測(cè)鑄鋼件一次縮孔和二次縮孔的宏觀形成。在FT-Star軟件中,縮松缺陷預(yù)測(cè)主要使用G/√RG/R√判據(jù),就能夠較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出鑄件縮松的位置。當(dāng)鑄件單元的G/√RG/R√判據(jù)值小于某一臨界值時(shí),該單元便是可能出現(xiàn)縮松的單元,所有可能出現(xiàn)縮松單元的集合就表示了縮松的分布范圍。G/√RG/R√的臨界值隨不同鑄件材料和澆注工藝而異,需要在應(yīng)用中測(cè)定。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),G/√RG/R√的臨界值還受鑄件凝固速率R和鑄件劃分網(wǎng)格大小及計(jì)算步長(zhǎng)的影響,計(jì)算不穩(wěn)定,G/√RG/R√的臨界值難以確定。對(duì)于小型鑄鋼件臨界值的選取在0.8~1.0之間較為準(zhǔn)確,但是對(duì)于中大型鑄鋼件,臨界值在2.0~3.0之間。由于臨界值受鑄件計(jì)算參數(shù)等因素的影響,使用者不易確定臨界值的使用范圍,因而也限制了該法的普遍應(yīng)用。由此可見(jiàn),對(duì)于縮松預(yù)測(cè)使用一種判據(jù)是不夠的,有必要開(kāi)發(fā)其它判據(jù)。鑄鋼件的縮孔縮松預(yù)測(cè)判據(jù)經(jīng)歷了定性到定量,又到定性的發(fā)展過(guò)程,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄鋼件從宏觀縮孔到微觀縮松的預(yù)測(cè)。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求,在FT-Star模擬軟件中增添和完善了多種縮孔縮松判據(jù),并且改進(jìn)了模擬結(jié)果的顯示,使顯示更為直觀。用戶可以方便的選擇使用,從不同角度分析鑄件的凝固過(guò)程,對(duì)缺陷的形成進(jìn)行定量或定性的分析,據(jù)此優(yōu)化鑄造工藝。2.1固相率法的確定為便于分別從液相區(qū)、液固兩相區(qū)、固相區(qū)和臨界固相率的角度分析鑄件凝固過(guò)程,直觀便捷地判斷鑄件補(bǔ)縮通道是否暢通以及鑄件內(nèi)是否存在孤立補(bǔ)縮區(qū)域,提出了以液相線、固相線為界限的液固相三色分區(qū)顯示和以臨界固相率為界限的固相率三色分區(qū)顯示,統(tǒng)稱為三色相區(qū)法。2.1.1l形鑄件的凝固模擬對(duì)于凝固范圍比較寬的鑄件,希望能在不同時(shí)刻定性地看出鑄件凝固液相線和固相線的推進(jìn)和熱節(jié)的位置,從而分析鑄件的凝固狀況,哪一部分已經(jīng)凝固,哪一部分處于液固兩相區(qū),哪一部分還未凝固。由于溫度場(chǎng)一般采用連續(xù)顏色顯示,直接通過(guò)觀察溫度場(chǎng)來(lái)分析鑄件凝固狀況并不容易,難以分清鑄件液相線和固相線的位置。在溫度場(chǎng)計(jì)算的基礎(chǔ)上,使用綠、黃、紅3種顏色分別顯示液相區(qū)、液固兩相區(qū)和固相區(qū),該法稱之為液固相分區(qū)顯示。使用該法可以非常直觀的觀察鑄件的3區(qū)分布和熱節(jié)的位置,可以分析出鑄件凝固區(qū)域較寬或者補(bǔ)縮通道被截?cái)嗟牟课?進(jìn)而預(yù)測(cè)是否會(huì)形成縮孔縮松缺陷。但分析缺陷的形成部位時(shí)定量精度較差。用改進(jìn)的FT-Star凝固模擬軟件計(jì)算了L形鑄件的縮孔縮松形成情況,鑄件材料為ZG25,澆注溫度1540℃,網(wǎng)格大小5mm×5mm×5mm,鑄件網(wǎng)格數(shù)36121。圖1為L(zhǎng)形鑄件凝固到2min時(shí)的液固相分區(qū)顯示。由圖1可以清楚地觀察到液相線和固相線的位置。圖中缺少部分是宏觀縮孔,圖2同。2.1.2臨界固相率法的應(yīng)用對(duì)于合金而言,當(dāng)固相率增大到某個(gè)值以上,液相的流動(dòng)會(huì)變得非常困難,此時(shí)由于合金的體積收縮而得不到金屬液的補(bǔ)充造成縮孔縮松缺陷,此時(shí)的固相率稱為臨界固相率。試驗(yàn)表明,使用臨界固相率預(yù)測(cè)收縮缺陷,特別是縮松較好。但由于臨界固相率與合金成分及影響凝固形態(tài)的諸多因素有關(guān),難以精確測(cè)定,一般認(rèn)為在0.5~0.8之間。因此,為了保持此法對(duì)不同鑄件的通用性,在處理時(shí)采用以臨界固相率為界限分開(kāi)顯示的方法。臨界值選定在0.60~0.65之間,因?yàn)閷?duì)于大多的鑄鋼來(lái)說(shuō),此臨界值可以比較準(zhǔn)確地作為凝固和非凝固的判斷值,固相率值小于0.60的區(qū)域可以認(rèn)為還有補(bǔ)縮的能力,鑄件尚未凝固;固相率大于0.65的鑄件區(qū)域認(rèn)為已經(jīng)凝固而不能補(bǔ)縮;0.60~0.65之間較窄的區(qū)域作為臨界值,保持臨界值適當(dāng)?shù)膶挾缺阌陲@示和觀察。臨界固相率是在某一時(shí)刻的固相率基礎(chǔ)上進(jìn)行處理,固相率在0~0.60,0.60~0.65,0.65~1.00之間的單元分別采用綠色、黃色和紅色進(jìn)行顯示。如果綠色的區(qū)域被黃色區(qū)域包圍,即臨界固相率形成封閉區(qū)域,那么在該區(qū)域內(nèi)的部分將得不到補(bǔ)縮,凝固后該部分將形成縮孔或者縮松缺陷。該法可以定性地分析鑄件的收縮缺陷形成,效果比較直觀。圖2為L(zhǎng)形鑄件的固相率計(jì)算結(jié)果,凝固時(shí)間為10min。2.2u2004有限元分布研究鑄件某一部分的凝固狀況,還可以通過(guò)對(duì)該部分的凝固時(shí)間進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算鑄件單元達(dá)到某個(gè)參考值的時(shí)間,得到鑄件不同部分的等時(shí)分布曲面。這些參考值可以設(shè)定為液相線、固相線或者臨界固相率,相應(yīng)的便得到液相線時(shí)間法、固相線時(shí)間法和臨界固相率時(shí)間法。2.2.1局部凝固時(shí)間法鑄件單元從澆注溫度冷卻到液相線溫度或者固相線溫度所經(jīng)歷的時(shí)間,分別稱為液相線時(shí)間和固相線時(shí)間。某個(gè)單元的固相線時(shí)間減去該單元的液相線時(shí)間是該單元從液相線溫度凝固到固相線溫度所經(jīng)歷的時(shí)間,稱為該單元的局部凝固時(shí)間。不同的凝固時(shí)間用不同的顏色表示,同一種顏色的區(qū)域代表該部分凝固時(shí)間相同,是等時(shí)分布曲面。如果鑄件凝固時(shí)間較短的曲面將凝固時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域包圍,在補(bǔ)縮通道被截?cái)嗷蛘哐a(bǔ)縮不良的情況下,則表明該凝固時(shí)間較長(zhǎng)的區(qū)域?qū)⑿纬煽s孔縮松缺陷。因?yàn)閷?duì)于凝固區(qū)域較寬的合金在達(dá)到液相線后還具有一定的補(bǔ)縮能力,而凝固到固相線時(shí)已經(jīng)沒(méi)有補(bǔ)縮能力,所以使用液相線時(shí)間法分析缺陷的形成偏于寬松,而固相線時(shí)間法則偏于保守,局部凝固時(shí)間法就比較準(zhǔn)確些。對(duì)于共晶合金的鑄件,則用固相線時(shí)間法判斷缺陷的形成較好。圖3為L(zhǎng)形鑄件的局部凝固時(shí)間,可以看出凝固最晚的部分是熱節(jié)部位,該部分補(bǔ)縮不良,將形成縮孔或縮松。2.2.2計(jì)算每相線的率每個(gè)單元達(dá)到臨界固相率時(shí)的時(shí)間為臨界固相率時(shí)間,臨界固相率以0.65計(jì)算。在時(shí)間性判據(jù)方法中,臨界固相率時(shí)間法也是介于液相線時(shí)間法和和固相線時(shí)間法之間的一種定性判斷方法。同樣的道理,凝固時(shí)間越長(zhǎng)的區(qū)域就越有形成鑄造缺陷的趨勢(shì)。2.3固相率的變化在鑄件凝固過(guò)程分析中,除了鑄件不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)外,還可以分析鑄件不同時(shí)刻的固相率分布即固相率場(chǎng),以便根據(jù)固相率的分布作進(jìn)一步分析。在軟件中增添了不同時(shí)刻的固相率分布輸出,將凝固到一定時(shí)刻的鑄件固相率場(chǎng)進(jìn)行顯示處理。固相率是在潛熱處理時(shí)計(jì)算的,假定固相率的增加與溫度下降成線性關(guān)系,計(jì)算公式為:fs=(Τl-Τ′)/(Τl-Τs)?dfs=-dΤ′/(Τl-Τs)?fs=(Tl?T′)/(Tl?Ts)?dfs=?dT′/(Tl?Ts)?其中:T′為單元目前的溫度,Tl、Ts為液相線和固相線溫度。固相率場(chǎng)的輸出與溫度場(chǎng)的輸出是同步的,即在一定時(shí)刻(該時(shí)刻是計(jì)算前預(yù)先設(shè)置好的,如每隔2min輸出一次文件)輸出一個(gè)溫度場(chǎng)文件的同時(shí)將輸出一個(gè)固相率場(chǎng)文件。在未完全凝固以前,鑄件每個(gè)單元的固相率是不同的,單元的固相率值變化在0~1.0之間。顯示時(shí),采用11色連續(xù)色標(biāo)顯示,顯示固相率的分辨值是0.1。本法的實(shí)質(zhì)是不同時(shí)刻的等固相率曲面分布,當(dāng)固相率曲面封閉或者補(bǔ)縮通道較窄時(shí),可以定性判斷縮孔縮松的形成部位。對(duì)于有的鑄件,通過(guò)分析鑄件在某一時(shí)刻的固相率場(chǎng)來(lái)定性分析凝固過(guò)程和缺陷的形成是非常有效的。3縮孔縮松分析實(shí)際應(yīng)用表明:G/√RG/R√判據(jù)對(duì)于較小的鑄件效果較好,但對(duì)于凝固范圍較寬的鑄件或者大中型鑄鋼件,G/√RG/R√判據(jù)的預(yù)測(cè)效果并不好,計(jì)算的結(jié)果常常與實(shí)際解剖不相符。在這種情況下,采用其它的定性判據(jù)進(jìn)行分析是十分有效的,這樣就彌補(bǔ)了G/√RG/R√判據(jù)的不足。用上面介紹的判據(jù)計(jì)算分析了某廠軸承座鑄鋼件的縮孔縮松。原來(lái)用G/√RG/R√判據(jù)時(shí),G/√RG/R√值取到大于2.0時(shí)才會(huì)在冒口根部發(fā)現(xiàn)縮松。圖4是G/√RG/R√值為2.6時(shí)的縮松分布情況。使用該判據(jù)可以看出,一方面,只有取較大臨界值時(shí)才能顯示縮松,因而對(duì)于不同的鑄件臨界值不恒定,使用中難于確定。在實(shí)際分析時(shí),技術(shù)人員無(wú)法判斷到底G/√RG/R√應(yīng)該采用什么樣的臨界值;另一方面,在鑄件的有些部位本應(yīng)該不存在縮松,使用該判據(jù)卻判斷出縮松,與實(shí)際不相符合。而采用固相率場(chǎng)法或固相率分區(qū)顯示法分析縮孔縮松就十分容易。從圖5的固相率分區(qū)顯示可以看出,凝固86min后冒口根部出現(xiàn)了小的孤立液相區(qū),該部分凝固后將得不到補(bǔ)縮。圖6是鑄件凝固53min的固相率場(chǎng)分布,同樣可以看出,此時(shí)冒口根部已出現(xiàn)固相率封閉區(qū)域,而這部分液體在凝固時(shí)補(bǔ)縮通道被截?cái)?凝固范圍較寬,趨于同時(shí)凝固,凝固后得不到良好