[发明专利]一种颗粒增强铝基复合材料铸造性能的计算机模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铸造模拟技术在颗粒增强金属基复合材料铸造性能研究上的应用，尤其是涉及一种在颗粒增强铝基复合材料复杂构件铸造性能研究上的铸造模拟技术。

背景技术

金属基复合材料由于融合了金属与陶瓷、金属与金属间化合物的特性，因此既具有优异的力学性能，又具有导电、导热、耐磨损、尺寸稳定等一系列金属特性，是一种优良的结构材料。在航空、航天、航海、建筑、医疗、电子和其它工业部门应用前景广阔，已成为近年来纳米复合材料及金属功能材料中的研究热点之一。其中颗粒增强铝基复合材料在交通行业的应用日渐广泛，颗粒增强铝基复合材料应用在汽车上，可减轻汽车重量，并提高其性能，而且可节油、减少污染和延长使用寿命。但是，由于增强颗粒的存在导致复合材料粘度增加，流动性下降，铸造凝固过程与一般合金有很大的差异，更容易产生缩松、缩孔等铸造缺陷，对于复杂构件的成形技术更存在大量问题。而目前对颗粒增强铝基复合材料复杂构件的生产主要采用传统的试错法，这样增加生产成本，往往成品率不高，且没有形成科学系统的分析体系，这些均限制了颗粒增强铝基复合材料的工业化生产。铸造性能问题是颗粒增强铝基复合材料应用的主要瓶颈，其控制技术也成为突破颗粒增强铝基复合材料实际应用的关键技术。铸造行业利用计算机可视化技术显示铸件充型及凝固的过程，从而有针对性的优化铸造工艺、消除铸造缺陷、提高成品率，缩短新产品的开发周期、降低成本，是一种有效的分析研究方法。但该技术在颗粒增强铝基复合材料铸造性能和工艺优化分析研究上的应用尚无，因此开发适合颗粒增强铝基复合材料复杂构件铸造性能研究分析的铸造模拟技术具有很大的实际应用价值。

铸造模拟技术在颗粒增强铝基复合材料铸造性能分析及工艺优化上的应用技术国内尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是，针对颗粒增强铝基复合材料铸造性能的特殊性，开发适合颗粒增强铝基复合材料复杂构件铸造性能研究分析及工艺优化的铸造模拟方法，突破复合材料实际应用瓶颈，实现其工业化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现。

一种颗粒增强铝基复合材料铸造性能的计算机模拟方法，包括以下步骤：

获取输入计算机的待分析的铝基复合材料的增强颗粒的体积分数或质量分数，以及基体成分的质量分数；

使用上述数据通过金属基复合材料性能计算程序计算并确定金属基复合材料物性参数；

对待铸造构件空间结构网格进行划分，并确定铸造工艺的边值条件；

把上述各边值条件以及冷却参数附值进行流场、温度场的计算；

根据计算结果进行材料铸造性能分析；如果铸造性能不合理，再通过调整铸造工艺、不同体积分数(或质量分数)的增强颗粒的添加量，或在允许的合金含量范围内调整合金的含量，重新计算，直至获得合理的颗粒增强金属基复合材料的铸造性能。

在上述步骤中，要通过金属基复合材料性能计算程序计算并确定金属基复合材料物性参数；有必要建立颗粒增强金属基复合材料物性参数数据库，

1)金属基复合材料物性参数的确定

铸造模拟基于ESI公司的ProCAST计算工具，但该软件并无金属基复合材料的物性参数数据库，因此有必要对其进行颗粒增强金属基复合材料物性参数数据库的开发。由于复合材料中含有一定体积分数的增强颗粒，材料的热物理性质、凝固潜热释放都发生了变化，这里将复合材料看作颗粒与基体的混合体，根据Stefanescu D.M提出的复合材料性能混合准则对热物性参数作出如下修正：

①复合材料的导热系数k_c按下式计算：

式中，k_m和k_p分别为基体金属和颗粒的导热系数；为颗粒的体积分数。

②复合材料的密度ρ_c，按下式计算：

式中，ρ_m和ρ_p分别为基体金属和增强颗粒的密度。

③复合材料的比热容c_c，按下式计算：

c_c＝c_m(1-w_p)+c_pw_p              (3)

式中，c_m和c_p分别为基体金属和增强颗粒的比热容；w_p为颗粒的质量分数：

④增强体的体积分数时，复合熔体的粘度可由Einstein′s公式近似表达为：

增强体的体积分数时，