铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验
方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ
铸件的凝固时间和凝固速度 铸件的凝固时间是指从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间，单位时间凝固层增长的厚度则称为凝固速度。铸件的凝固时间是设计冒口尺寸的依据。合理地确定冒口和冷铁的位置，控制铸件各部分的凝固速度，使其按一定的顺序或方向进行凝固，是获得致密健全铸件的重要条件。另外，对大型或重要铸件，为了控制开箱时间，需对凝固时间和凝固速度进行估算。下面介绍两种计算方法。 (1)平方根定律 对铸件的凝固过程进行传热计算，可以推导出凝固层厚度随时间的变化规律: t K =0δ 或 220K t δ= （1） t K dt d v 20 ==δ （2） 式中 δ0——凝固层厚度(cm)； K ——凝固系数(cm/min 1/2)； t ——凝固时间(min)； υ——凝固速度(cm/min)。 式(1)就是平方根定律，表明在砂型或金属型铸造条件下凝固层厚度δ0与凝固时间t 的平方根成正比。凝固系数K 值与许多因素有关，实际中常用实验方法测得，见表1。铸件凝固完毕，凝固层厚度到达壁厚中心，将壁厚的一半(δ0/2)代入式(1)，即可求得凝固时间。 表1 各种合金的凝固系数
平方根定律的推导，本身对铸件的凝固过程作了一些假设，故其仅适用于大型平板类结晶温度间隔较小的合金铸件，求得近似值。 (2)模数法 当合金、铸型和浇注条件确定之后，铸件凝固时间决定于铸件的体积与散热表面积之比，即铸件的模数M C (M C = V c / S)，也称折算厚度或当量厚度。可以推出 2 2221??????== S V K K M t C C (3) 式中 t ——铸件凝固时间； V c ——铸件体积； S ——铸件散热表面积； M C ——铸件模数。 图1是各种形状的铸钢件（重量从10kg 到65t ）实测凝固时间与模数的关系。 图1 实测凝固时间与模数的关系 模数法由于考虑了铸件结构形状的影响，使计算值更接近于实际。 由模数法可知，即使铸件的体积和重量相等，如果其几何形状不同，则铸件模数及其凝固时间均不相等。反之，不论铸件的体积和形状如何，只要其模数相等，则凝固时间相近。
液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因 影响铸件收缩的因素: 化学成分与合金类别：如铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。 浇注温度：合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 铸件结构和铸型工艺条件：铸件的收缩并非自由收缩，而是受阻收缩。1）铸件中各部分冷却速度不同，收缩先后不一致，相互制约产生阻力；2）铸型等对铸件收缩产生的机械阻力。 铸件在冷却和凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。容积大而且比较集中的孔洞—缩孔；细小而且分散的孔洞—缩松。 产生原因：液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值 缩孔和缩松存在：铸件有效承载面积减小，引起应力集中，力学性能下降，还降低气密性和物理性能。 缩孔的形成：在铸件上部或最后凝固的部位； 其外形特征是：近于倒圆锥形。 缩松的形成:由于结晶温度范围较宽，树枝晶发达，流动性低、液态和凝固收缩所形成的细小、分散孔洞得不到液态金属补充而造成。 纯金属和共晶成分的合金，易形成集中缩 如何防止缩孔和缩松: 防止措施①合理选用铸造合金②按照定向凝固原则进行凝固采用各种措施保证铸件结构上各部分按照远离冒口的部分先凝固然后是靠近冒口部分最后是冒口本身的凝固③合理选择浇注系统和浇注位置④合理地应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。附缩孔补救措施焊补。挖去缺陷区金属用与基体金属相同或相容的焊条焊补缺陷区焊后修平进行焊后热处理。 举例: Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭有很强的柱状晶生长趋势,在轴线附近区域形成分散的缩松;加入0.8%B(原子分数)后,铸锭的组织得到细化,并削弱了柱状晶生长趋势,收缩缺陷分布集中以大缩孔方式存在,显微缩松的密度和尺寸均降低.添加0.1%C(原子分数)后,铸锭的组织和缩孔缩松与Ti-47Al-2Cr-2Nb比均无明显变化. 热应力：铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。为铸造残留应力 减少或消除应力的方法: 减少铸件各部位的温差，尽量形成同时凝固。 改善铸型和型芯的退让性，以减少收缩的机械阻力。 在性能满足的前提下，选择弹性模量E小和收缩系数小的合金。 消除应力方法：1）人工失效：去应力退火 2）自然失效 3）振动时效 铸件内应力的预防措施铸件产生铸造内应力的主要原因是合金的固态收缩。为了减小铸造内应力在铸造工艺上可采取同时凝固原则。所谓同时凝固原则就是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小使各部分同时凝固。此外还可以采取去应力退火或自然时效等方法将残余应力消除。
实验报告 实验名称：加速步长法 院（系）：机电学院 专业班级：机械制造及其自动化 姓名：赵丹 学号：100710431 2013年5 月3 日
实验一：加速步长法实验日期：2013年5 月3日一、实验目的 了解MATLAB的基本运用 了解MATLB在优化中的使用 二、实验原理 加速步长法是利用试探来确定单谷函数的初始搜索区间。其主要思路是：从一点出发，按照一定的步长，试图确定出函数值呈现“高低高”规律的相邻三点。从一个方向试探搜索，如不成功，则沿反方向探索。如方向正确，则加大步长探索。直至最终三点x1x2x3，满足x1 h=-h; x2=x4; f2=f4; else x3=x2; x2=x1; x1=x4; break; end end end left=min(x1,x3); right=x1+x3-left; 四调用执行程序： clc syms t f=t^3-t^2-2*t+1; [left,right]=xiti4_1(f,0,0.1) 执行结果：left = 0.7000 right = 3.1000 实验小结 通过本实验了解了了matlab的基本操作方法，了解加速步长法的原理与基本运用 ANSYS 瞬态动力学分析中的时间步长的选择 对于瞬态动力学分析问题，如何选取合适的时间步长，才能保证得到正确的计算结果呢？这是我们在瞬态动力学分析中需要关注的一个问题。 积分时间步长的选取决定了瞬态动力学问题的求解精度：时间步长越小，则计算精度越高。太大的时间步长会导致高阶模态的响应出错，从而会影响到整体的响应。但是太小的时间步长会浪费计算资源。要得到一个较好的时间步长，应该遵循下述原则： （1）分析响应的频率。 时间步长应该小到可以分析结构的响应。既然结构的动力响应可以看成是一系列模态的组合，时间步长应该可以求解对响应有贡献的最高阶模态。对NEWMARK 积分方案而言，发现可以使用感兴趣结果的最高阶频率的每个周期内取20个点就可以得到大致合适的解答。这就是说， f t 201=? 上式中，t ?为时间步长，f 为所关注系统的最高频率。 如果需要计算加速度，则上述时间步长需要更小一些。 对于HHT 时间积分方法，可以使用同样的时间步长。在使用相同的时间步长和时间积分参数的前提下，HHT 方法比NEWMARK 方法更精确一些。 （2）分析加载的载荷-时间曲线。 时间步长应该足够的小到能跟踪载荷历程。响应一般要比施加的载荷慢半拍，阶跃载荷尤其如此。它需要较小的时间步以便能紧密的跟踪载荷的改变。它应该小到1/180f 会较合适。 （3）分析接触频率。 在包含接触（碰撞）的问题中，时间步长应该小到足以捕捉接触面之间的动力传递。否则，会产生明显的能量损失，而碰撞将不再是理想弹性的。时间步长可以由接触频率得到 c Nf t 1=? m k f c π21= 第二章凝固温度场 第一节传热基本原理 一、填空 1. 温度梯度指温度随距离的变化率，对于一定温度场，沿等温面或等温线法线方向的温度梯度最大，图形上沿着该方向的等温面（或等温线）最密集。 2. 根据传热学的基本理论，热量传递的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。在连续介质内部或相互接触的物体之间不发生相对位移而仅依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传输称为热传导。 3. 铸造过程中液态金属在充型时与铸型间的热量交换以热对流为主，铸件在铸型中的凝固、冷却过程以热传导为主。 4. 不仅在空间上变化并且也随时间变化的温度场称为不稳定温度场。熔焊时焊件各部位的温度随热源的施加及移动而变，属于不稳定温度场，又称之为焊接热循环。 5. 傅里叶定律是热传导过程的数学模型，求解该偏微分方程的主要方法有解析方法与数值方法，后者是用计算机程序来求解数学模型的近似解，最常用的数值解法是差分法和有限元法。 6. 在求解热传导过程中的温度场时需要根据具体问题给出导热体的边界条件，一般将边界条件分为三类，其中以换热边界条件最为常见。对于不稳定温度场的求解，除了边界条件之外，还要提供导热体的初始条件。 二、单选题： 1. 熔焊过程中热源与焊件间的热量传递方式属于：（4） （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 2. 熔焊过程中熔池内部的热量传递以（ 2 ）方式为主。 （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 3. 熔焊过程中焊件内部的热量传递以（ 1 ）方式为主。 （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 4. 熔焊过程中焊件表面与周围空气介质之间的热量传递方式属于：（4） （1）热传导（2）热对流（3）热辐射（4）以上全部 三、简答 钢的凝固收缩系数 1、钢凝固收缩过程的三个阶段：液态收缩、凝固收缩和固态收缩 钢的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。它与合金的成分、温度和相变有关。不同合金收缩率是不同的。 2、影响收缩的因素 （1）化学成分 碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略。灰铸铁中，碳是形成石墨化元素，硅是促进石墨化元素，所以碳硅含量增加，收缩率减小。硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。适量的锰，可与硫合成MnS，抵硫对石墨的阻碍作用，使收缩率减小。但含锰量过高，铸铁的收缩率又有增加。 （2）浇注温度 浇注温度愈高，过热度愈大，合金的液态收缩增加。 （3）铸件结构 铸型中的铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生阻碍。 （4）铸型和型芯对铸件的收缩也产生机械阻力 铸件的实际线收缩率比自由线收缩率小。因此设计模具时，应根据合金的种类、铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收缩率。 3、钢水凝固过程中的收缩： 钢水由液态转变为固态，随着温度下降，收缩可分为： (1)液态收缩：由浇注温度降到液相线温度的收缩。对于低碳钢一般为1％； (2)凝固收缩：液体完全变为固体的体积收缩。对于钢一般为3～4％。体积收缩会在钢锭中留下缩孔。 (3)固态收缩：从固相线温度冷却到室温的收缩。一般为7～8％。固态收缩表现为整个钢锭的线收缩，它与钢冷却过程的相变有关。对钢锭产生裂纹有重要影响。 液体钢密度为7.0g/cm3，固体钢密度为7.8g/cm3，则液体变为固体收缩量为：((7.8-7.0)/7.0)×100％=11.4％，其中液态收缩量约1％,凝固收缩3～6％，固态收缩7～8％。凝固时3～4％的体积收缩在钢锭中会留下缩孔，采用保护帽使缩孔集中在钢锭头部。而连铸时钢水不断补充到液相，故连铸坯中无集中缩孔。而带 CHP22.15 时间步长的设定 绘制当前时间数据图的方法： 使用显式非稳态公式或使用的是适应时间步长法，推荐用绘制当前时间或当前时间步长数据图。方法： Solve—Monitors—statistic 在statistics框中选择time或是delta_time 项。 确定与时间有关的求解参数： 一阶或二阶隐式求解方法： Max Iterations per Time Step:当FLUENT用隐式方法求解时，每个时间步长都要迭代。设定了每个时间步长内迭代的最大数值，如果在达到这个数值以前迭代收敛的话，求解过程会提前进入下一个时间步长。 Time Step Size：时间步长大小是t?的数值大小。由于FLUENT是完全隐式，因此没有队时间步长大小的要求。但为了正确模拟瞬态流动，时间步长大小的数量级至少应比系统中正在模拟的最小时间常量要小一个数量级。判断t?的选择的一个好方法是观察FLUENT在每个时间步长内迭代至收敛的次数，理想次数是10到20次，如果次数多于这个数值，则说明时间步长太大了。如果每个时间步长内只有几次迭代，则说明t?应该增大。常见的问题是FLUENT启动很快，而衰减也很快。这样情况下，聪明的办法是开始的5到10个时间步长设的相对较小，然后随着计算过程逐渐增加t?。 对于周期性时间的计算，应该根据时间周期的大小选择时间步长。比如说，对于转子/定子模型，可以在每个叶片通过之间设置20个时间步长。再比如对于涡轮流散的模型，每个周期20个时间步长比较好。 迭代时间步场面板上，默认的时间步长大小是固定的。要想在计算过程中随时修改时间步长大小，则要选adaptive并在adaptive time stepping中设好参数。第22.15.2节中详细讲述该内容。 22.15.2 调整性时间步长 调整性时间步长只有在segregated算法和coupled implicit算法中才能用，coupled explicit 算法不能用。另外，VOF或是分散相模型也不能用。 自动调整时间步长根据对与时间差分方案有关的truncation error截断误差而定，如果截断误差小于指定的允许程度，时间步长大小就要增大，反之，时间步长要减小。 截断误差的估测可以通过对算法的时间差分的预测修正得到。每个时间步长开始时，算法简单、粗略的计算问题的初始值，将它作为该时间步长的初始条件，然后用非线性迭代隐式算法修正，在对预测值和修正值之间的差异以截断误差为标准进行比较，如果达到了截断误差的预期程度，FLUENT就调整时间步长的大小。 参数： 截断误差Truncation Error Tolerance：指定与计算的截断误差相比较的初始值，增大这个值，会使时间步长增大，求解精度降低。反之，则变化趋势相反，但计算所需的时间要变长。对大多数情况，用默认值0.01即可。 结束时间Ending Time：指定计算的结束时间。结束时间不等于时间步乘以固定时间步长长短，应该专门指定它的值。 最大/最小时间步长长短Minimum/Maximun Time Step Size：该项指定时间步长的上下限值。如果时间步长很小，计算要花费的时间和所占空间就高，如果时间步长很大，计算精度就不够。 最大/最小步长改变系数Minimum/Maximum Step Change Factor Limit：限制了每一步时 数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展 摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。 关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件 The Application of Numerical Simulation in Mold Filling and Solidification Process Abstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly. Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software 第一讲铸造工艺理论基础测验题 1. 液态合金在冷凝过程中，有可能产生缩孔。缩孔往往产生在铸件最后凝固的部位 2. 冒口的主要作用是补缩 3. 为防止铸件中产生热应力，正确的工艺措施是同时凝固 4 .预防热应力的基本途径是铸件各部位的温度差尽量减少 5. 铸件热裂纹的形状特征是缝内有氧化色 5. 铸造性能属于工艺性能 6. 影响合金流动性的因素很多，但以的影响最为显着化学成分 6. 铸件产生冷隔的原因是：。浇注温度太低 6. 为防止铸件上产生缩孔，正确的工艺措施为。顺序凝固 6. 降低铸件凝固时的温度梯度，可以使铸件凝固区域减小 增加铸件结晶时的凝固区域，有利于防止铸件产生缩松 为了消除铸件中的机械应力，可在铸造后对铸件采用时效处理 去应力退火是消除机械应力最有效的工艺措施 7. 拟生产一批小铸铁件，力学性能要求不高，但要求越薄越好。在下列措施中哪些是有用的 提高铁水的浇注温度 提高铸型的退让性以便在浇铸时使铸型中的气体尽快排出 选用含碳量为%的共析钢。 选用金属铸型以提高铸型的强度。 8. 图示铸件，在冷却到室温后，可能 产生左右两端向上，中部向下的弯曲变形 在上半部分内部产生纵向残余拉应力 产生左右两端向下，中部向上的弯曲变形 在下半部分内部形成纵向残余拉应力 产生比较大的扭转变形 9. 铸造时，提高液态合金的浇注温度将使铸件产生缩孔的倾向增加1 9. HT200的流动性好于ZG175-570 9 凝固温度范围大的合金，铸造时铸件中容易产生缩松。 9. 当铸型温度等其他条件相同时，含碳%的铸铁比含碳%的铸铁更容易补缩。 10. 为了使铸件实现同时凝固，可在铸件上某些厚大部位增设冷铁，对铸件进行补缩2 11. 顺序凝固”是防止铸件的应力、变形和缩孔等缺陷有效的工艺措施 12. 合金的流动性愈好，充型能力愈强，愈有利于得到薄而复杂的铸件 13. 纯金属具有较好流动性 13.提高浇注温度和充型压力，有助于使合金实现顺序凝固，从而提高合金的充型能力 13. 当铸件壁厚相差较大时，铸件产生缩孔可能性也将增大。 14. 铸造时，提高液态合金的浇注温度将使铸件产生缩孔的倾向增加 15. 铸型上设置冒口的目的是为了排出浇注时注入的多余铁水 16. 为了使铸件实现同时凝固，可在铸件上某些厚大部位增设冷铁，对铸件进行补缩 铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固 合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造 一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止 答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。防止：1.合理选择铸造合金。2.合理选用凝固原则。铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴 浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面 拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。 浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩 压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸 自由锻的基本工序：墩粗和拔长。墩粗是降低高度，增大横截面积。拔长是减小横截面积，增大长度 板料冲压的基本工序：分离工序和变形工序。变形工序：弯曲，拉深 冒口与冷铁：冒口：补给铸件凝固收缩时所需的金属，避免产生缩孔；冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在砂型、砂芯表面或型腔内安放的金属激冷物。 焊接的特点：优点：1.接头牢靠，密封性好2.可化大为小，以小拼大3.可实现异种金属的连接4.重量轻，加工装配简单5.焊接结构不可拆卸。缺点：焊接应力变形大，接头容易产生裂纹，夹渣，气孔等缺陷 实现切削加工的三个条件：1.工件与刀具知己要有相对运动即切削运动2.刀具材料必须具有一定的切削能力3.刀具必须具有适当的几何参数即切削角度等 切削用量三要素：切削速度，进给量和背吃刀量 冲孔与落料：落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯料变形过程和模具结构相同，只是用途不同。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。 一、自由锻工序（种类）及含义，典型零件的自由锻工序、反复镦粗拔长的目的。 答：工序有：拔长、墩粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割。自由锻是金属在锤面与砧面之间受压变形的加工方法。典型工序：1.压肩2.拔长一端切去料头3.调头压肩4.拔长，倒棱，滚圆5.端部拔长切去料头6.全部滚圆并校直。目的：可以提高后续拔长工序的锻造比；同时使晶体更细小，力学性能更好。 二维铸造充型过程数值模拟的特征分数步长法? 鲁统超1，葛亮2 1山东大学数学与系统科学学院, （250100） 2 山东大学数学与系统科学学院, （250100） E-mail ：lutc@https://www.doczj.com/doc/db11987478.html, 摘 要：铸造充型过程的数学模型是包括连续性方程和动量方程的偏微分方程组。本文利用分数步长法将动量方程分裂成两部分，对第一个方程采用特征差分法进行处理，对第二个方程结合连续性方程进行处理后得到压力的 泊松方程，用迭代法进行求解，给出了收敛性分析和稳定性条件。 关键词：分数步长；特征差分；收敛性；迭代。 1. 引 言 铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷(如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等)都是在充型不利的情况下产生的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。但是，由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量实验基础上的经验准则。随着计算机的发展，铸件充型过程数值模拟才得到广泛应用。 充型过程流场数值模拟的主控方程均为非线性方程。其计算使用有限差分或有限元等数值方法求解质量守恒方程(连续性方程)和动量守恒 方程即Navier-Stokes 方程，以得出流体运动规律。在以前的研究中，Chorin(1968)和Temam(1969)分别独立的提出投影法。1972年由Minnesota 大学的Patankar 与Spalding 提出了simple 算法，这是一个压力修正算法，在以后的研究中又有simplec 方法,Raithby 提出的simplex 方法, Sheng 等提出的simplet 算法。 本文中利用分数步长法的思想将动量方程分裂成两部分，对第一个方程采用特征差分法求解，对第二个方程结合连续性方程进行处理后得到压力的 泊松方程，我们用迭代法进行求解，给出了收敛性分析和稳定性条件。 2. 问题的数学模型 铸造充型过程的模型主要由连续性方程和动量方程组成。 (a) 流体的动量方程 1x u p V u g u t x μρρ ??=???++???r " (2.1) ? 本课题得到教育部高等学校博士点基金资助，编号：20030422049 - 1 - 第二章作业答案 1. 凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？ 解：①改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； ②选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； ④在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。 2. 对于板状对接单面焊焊缝，当焊接规范一定时，经常在起弧部位附近存在一定长度的未焊透，分析其产生原因并提出相应工艺解决方案。 解：（1）产生原因：在焊接起始端，准稳态的温度场尚未形成，周围焊件的温度较低，电弧热不足以将焊件熔透，因此会出现一定长度的未焊透。 （2）解决办法：焊接起始段时焊接速度慢一些，对焊件进行充分预热，或焊接电流加大一些，待焊件熔透后再恢复到正常焊接规范。生产中还常在焊件起始端固定一个引弧板，在引弧板上引燃电弧并进行过渡段焊接，之后再转移到焊件上正常焊接。 3.补充题一：金属铸件的凝固方式分为哪几种？他们是如何划分的？高碳钢和低碳钢在砂型凝固时，分别属于哪种凝固方式。 解：根据固液两相区的宽度，可将凝固过程分为逐层凝固方式与体积凝固方式（或糊状凝固方式）； 当固液两相区很窄时称为逐层凝固方式，反之为糊状凝固方式，固液两相区宽度介于两者之间的称为中间凝固方式； 高碳钢属于体积凝固，低碳钢属于逐层凝固。 4.补充题二：给出式（2-17）和（2-18）的推导过程。 解：省略。 5.附加题：实验设计题：设置一个实验来验证半无限大平板铸铁分别在砂型和金属型铸型中在不同时刻（一般取3个时刻）的温度分布曲线，并得出结论。要求：思路、原理阐述清楚；需要的主要设备选择恰当；实验结果的处理与实验结论。 省略。 铸件缩松浅析 一、缩松的定义 缩松分为宏观缩松和显微缩松（显微缩松也称之为疏松）。 宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的分散的细小缩孔； 显微缩松是铸件凝固缓慢的区域因微观补缩通道堵塞而在枝晶间及枝晶的晶臂之间形成的微小缩孔。疏松的宏观端口形貌与缩松相似，微观形貌为分布在晶界和晶臂间，伴有粗大树枝晶的显微空穴。 二、缩松的形成原因 当合金结晶温度范围较宽时，在铸件表面结壳后，内部有一个较宽的液、固两相共存的凝固区域。继续凝固，固相不断增多。凝固后期，先生成的树枝晶相互接触，将合金液分割成许多小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就形成了缩松。缩松可以看成为许多分散的小缩孔，合金的结晶温度范围愈宽，愈易形成缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。 缩松的产生原因主要可分为合金特性、熔炼工艺、铸造工艺等几大方面： 1、合金特性： （1）凝固温度间隔宽的合金具有体积凝固(糊状凝固)特性，补缩困难，易形成疏松； （2）合金凝固温度间隔过宽，糊状凝固倾向强，使低熔点成分最后凝固时得不到有效补缩，易形成疏松； （3）合金中易形成低熔点相的杂质元素含量过多，使凝固温度间隔增大。例如，铸铁中硫、磷含量过多时会在凝固后期形成低熔点共晶，使铸件产生疏松。 2、熔炼工艺： （4）炉料含气量太多：合金中杂质和溶解的气体过多，在合金凝固过程中杂质和析出的气体被推向结晶前沿，阻塞补缩通道，使疏松加重； （5）合金晶粒粗大：合金中缺少晶粒细化元素，凝固组织晶粒粗大，易阻塞补缩通道，形成疏松； （6）浇注工艺的不当：浇注温度过低易产生疏松；浇注温度过高，浇注速度太快使凝固后期得不到足够的铁液补缩； 3、铸造工艺： （7）铸件在铸型中的位置不当 （8）浇注系统、冒口、冷铁、补贴等设置不当，使铸件在凝固时得不到有效补缩； （9）铸件结构不合理，壁厚变化突然，孤立的热节得不到补缩； （10）冒口补缩作用差：冒口数量、尺寸、形状、设置部位以及冒口与铸件连接不合理，补缩效果差； （11）内浇道尺寸或位置不当，使铸件不能顺序凝固或在铸件中形成局部热节； 第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何 第二章习题解答 1. 已知某半无限大板状铸钢件的热物性参数为：导热系数λ=46.5 W/(m ·K)， 比热容C=460.5 J/(kg ·K)， 密度ρ=7850 kg/m3，取浇铸温度为1570℃，铸型的初始温度为20℃。 用描点作图法绘出该铸件在砂型和金属型铸模（铸型壁均足够厚）中浇铸后0.02h 、0.2h 时刻的温度分布状况并作分析比较。铸型的有关热物性参数见表2-2。 解：（1）砂型： 1111ρλc b ==12965 2222ρλc b ==639 界面温度： 21202101b b T b T b T i ++==1497℃ 铸件的热扩散率： ρ λc a =1 =1.3?10-5 m 2 /s 根据公式 ()? ??? ? ?-+=t a x T T T T i i 11012erf 分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状 况见表1。 表1 铸件在砂型中凝固时的温度分布 根据表1结果做出相应温度分布曲线见图1。 （2）金属型： 1111ρλc b ==12965 2222ρλc b ==15434 界面温度： 2 1202101b b T b T b T i ++==727.6℃ 同理可分别计算出两种时刻铸件中的温度分布状况见表2与图2。 表2 铸件在金属型中凝固时的温度分布 (3) 分析：采用砂型时，铸件金属的冷却速度慢，温度梯度分布平坦，与铸型界面处的温度高，而采用金属铸型时相反。原因在于砂型的蓄热系数b 比金属铸型小得多。 2. 采用（2-17）、（2-18）两式计算凝固过程中的温度分布与实际温度分布状况是否存在误差？分析误差产生的原因，说明什么情况下误差相对较小？ 解：是有误差的。因为在推导公式时做了多处假设与近似处理，如： ①没有考虑结晶潜热。若结晶潜热小，则误差就小； ②假设铸件的热物理参数1λ、1c 、1ρ与铸型的热物理参数2λ、2c 、2ρ 不随温度变化。若它们受温度影响小，则误差就小； ③没有考虑界面热阻。若界面热阻不大，则误差就小； ④假设铸件单向散热，因此只能用于半无限大平板铸件温度场得估算，对于形状差异大的铸件不适用。 3. 凝固速度对铸件凝固组织、性能与凝固缺陷的产生有重要影响。试分析可以通过哪些工艺措施来改变或控制凝固速度？ 解：① 改变铸件的浇注温度、浇铸方式与浇铸速度； ② 选用适当的铸型材料和起始（预热）温度； ③ 在铸型中适当布置冷铁、冒口与浇口； ④ 在铸型型腔内表面涂敷适当厚度与性能的涂料。 4. 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。 图1 铸件在砂型中凝固时的温度分布曲线 图2 铸件在金属型中凝固时的温度分布曲线 t=0.02h t=0.0h 用FLUENT计算非稳态问题，是不是在计算时必须保证在每个时间步timestep里都要收敛才行，否则计算结果就不对呢也就是说，在iteration选项里，max iteration pertime step设为一个值，比如500，就是如果500次迭代后仍未收敛，进入下一步迭代，那对结果会有什么影响。 对于隐式非定常格式，原则上，每个时间步长内必须保证结果收敛。在fluent 的帮助中就有这样的话：“对于不可压流动，在每个时间步内，不可压解必须迭代直至收敛。”另外，我们回归到fluent内部计算的本源，它实质就是一种差分算法，通过不断逼近来获得真实解，这样我们就不难理解为什么在每个时间步长内需要收敛了。max iteration pertime step 设定的是最大时间步，在单一步长内，如果结果已经收敛，则会自动跳至下一时间进行计算。所以其设定要纵观全局。但对于周期性流动，这种收敛性的要求就相对松动一些。不过你需要多计算几个周期，等计算结果达到对时间的周期状态后，再对结果进行储存。 对于显式非定常格式，在Fluent帮助中这样说：“一定记住，对于显式非定常格式，每一个迭代就是一个时间步。” 如果每个时间步内结果没有得到收敛，则很有可能你所得到的结果是不真实的，但是一个时间步内的不真实性应该不会影响到下一个时间步长内的计算。因为在每一个时间步开时，fluent 都会进行初始化。在单个时间步内，它实际是按照稳态进行计算的。 time step size的设定是根据你的计算需要，一般是你的特征长度（比如说管道的长度）除于特征速度（比如平均速度）的值再小一到两个量级即可，如果你的time stip size太大，计算会提示你的，改小即可。 哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果 图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。ansys时间步长的确定
材料成型第二章重难点复习题解答
钢的凝固收缩系数
CHP22时间步长
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展
铸造工艺理论基础测验题
铸件的凝固方式
二维铸造充型过程数值模拟的特征分数步长法
第二章作业答案
铸件缩松浅析
泵体铸件凝固过程模拟
第二章答案
Fluent时间步长
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告
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