[发明专利]一种模拟铸钢件砂型铸造过程的缩松缺陷预测方法

摘要

本发明涉及一种模拟铸钢件砂型铸造过程的缩松缺陷预测方法，是针对铸钢件砂型铸造过程的缩松缺陷，在实际铸造之前进行模拟预测，有利于在实际铸造中预测和减少铸造缺陷；以VC++为开发平台编写程序，进行计算机运行，得出预测结果，展现铸钢件砂型铸造中缩松缺陷的分布情况，此预测方法使用设备少，计算方法通用、合理，模拟结果准确，适合铸钢件砂型铸造缩松缺陷预测。

主权项

一种模拟铸钢件砂型铸造过程的缩松缺陷预测方法，其特征在于：(1)获得圆柱体铸钢铸件①制备砂型铸造模具制备圆柱木模并成型；用砂纸打磨木模表面，使表面光洁；以圆柱状木模为成型模型，用呋喃树脂砂制作砂型模具，并由模具框架固定，在砂型模具浇口设置氧化锆滤网，备用；②熔炼制备钢金属熔液将铸钢5.2kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至1600℃±2℃，除气，除渣，温度降至1550℃±2℃，待用；③砂型铸造过程将钢金属熔液注入模具浇口，金属液进入模具型腔并充型；④冷却及取出铸件浇注后，将砂型模具置于自然空气中冷却至25℃；打开砂型模具，取出圆柱体铸件；⑤清理铸件表面用金属刷清理铸件表面，用机械切除铸件余头，用砂纸打磨铸件表面，铸件成型；(2)建立缩松缺陷预测模型建立缩松缺陷预测的计算模型，具体步骤如下：①建立三维模型、粒子离散及初始化首先利用建模软件建立三维实体，然后对铸型、型腔内金属熔液进行粒子离散，设置粒子的初始参数，具体步骤如下：1)三维实体的建立用三维建模软件建立铸型、型腔内金属熔液的三维模型；2)粒子离散及设置粒子的初始参数三维建模软件导出三维实体，经过粒子离散，确定粒子初始位置；根据粒子类型不同，设置不同属性粒子的初始压力、密度、粘度、温度、导热系数、比热容、时间步长，并规定每6000个时间步长为一个计算阶段；铸型粒子为固壁边界粒子，采用排斥力法处理边界；②建立全配对搜索方法对于满足条件的粒子实现粒子配对、存储粒子对信息，具体步骤如下：分别以粒子i所在的位置为圆心，以2倍的光滑长度为半径的球形区域表示粒子i的影响域；当粒子i与粒子j间距rij的数值小于或等于2倍的光滑长度时，则可以认为粒子i与粒子j匹配，在后续计算中将考虑粒子j对粒子i的影响；在满足匹配条件下，为了避免重复配对，只有搜索到的j粒子编号小于i粒子本身编号时才完成配对并存储该粒子对信息；在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子的搜索、配对、存储粒子对信息；③判断缩松的出现钢金属液粒子温度降低，温度变化会对金属液粒子的物性参数产生影响；凝固过程中结晶潜热处理也是关键，具体步骤如下：1)粒子温度的计算及物性参数处理；温度计算及物性参数处理具体步骤如下：对所有粒子进行温度变化计算，具体表达式如下：∂Ti∂t=1CpiρiΣj=1Nmjρj4λiλjλi+λj(Tj-Ti)1rij∂Wij∂xiα]]>式中：表示i粒子温度随时间的变化率，Cpi表示i粒子比热容，ρi表示i粒子密度，表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，N表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，ρj表示j粒子的密度，λi表示i粒子的导热系数，λj表示j粒子的导热系数，Ti表示i粒子的温度值，Tj表示j粒子的温度值，rij表示i粒子和j粒子之间的距离，表示光滑函数梯度，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向；对于型腔内粒子，计算过程中粘度、导热系数、密度和比热容随温度的变化而变化，具体表达式如下：粘度随温度的变化，关系式如下：当粒子温度小于1137℃时，η＝1000，η单位为pa·s；当粒子温度在1137℃‑1503℃时，η＝4103.2‑2.73T，η单位为pa·s；当粒子温度在1503℃‑1600℃时，η＝0.01，η单位为pa·s；T表示粒子温度，单位℃；导热系数和温度的关系式如下：当粒子温度小于950℃时，λ＝33.6‑0.008T，λ单位为W/(m·℃)；当粒子温度在950℃‑1000℃时，λ＝0.08T‑50，λ单位为W/(m·℃)；当粒子温度在1000℃‑1600℃时，λ＝0.015T+15，λ单位为W/(m·℃)，T表示粒子温度，单位℃；不同计算阶段之间，密度随温度变化，关系式如下：当粒子温度小于1137℃，ρ＝7878，ρ单位为kg/m3；当粒子温度在1137℃‑1503℃时，ρ＝8990‑0.9787T，ρ单位为kg/m3；当粒子温度在1503℃‑1600℃时，ρ＝7520，ρ单位为kg/m3，T表示粒子温度，单位℃；比热容随温度的变化，关系式如下：当粒子温度小于等于580℃时，Cp＝0.6T+452，Cp单位为J/(kg·℃)；当粒子温度在580℃‑780℃时，Cp＝1438‑1.1T，Cp单位为J/(kg·℃)；当粒子温度在780℃‑1400℃时，Cp＝0.13T+478.6，Cp单位为J/(kg·℃)；当粒子温度在1400℃‑1600℃时，Cp＝0.9T‑600，Cp单位为J/(kg·℃)，T表示粒子温度，单位℃；2)金属液粒子加速度的计算；W=αd×(23-R2+12R3),0≤R<1;αd×16(2-R)3,1≤R<2;]]>dviαdt=Σj=1Nmjηi+ηjρiρjvijβ∂Wij∂R-Σj=1Nmjpi+pjρiρj∂Wij∂xiα+g]]>式中：W表示光滑函数，αd为常数取值表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，N表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，pi表示粒子i的压力值，pj表示粒子j的压力值，ρi表示粒子i的密度,ρj表示粒子j的密度，g表示粒子的重力加速度,ηi和ηj分别表示粒子i和粒子j动力粘性系数，表示粒子i和粒子j的速度差，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向，R表示粒子间距和光滑长度的比值；上式的计算需要计算粒子压力值p，压力值p计算表达式如下：p=p0[(ρρ0)γ-1]]]>p0=302gHρ0γ]]>式中：p0表示压力初始值，ρ0表示粒子初始密度，γ为常数，g表示重力加速度，H表示铸件高度；在同一计算阶段内，密度变化率由下式求得，具体表达式如下：dρidt=Σj=1Nmjvijβ∂Wij∂xβi]]>式中：表示粒子i密度随时间的变化率，表示影响域内j粒子对i粒子影响作用求和，N表示影响域内的粒子个数，mj表示粒子j的质量，表示粒子i与粒子j的速度差，采用指标法表示，希腊字母上标α和β表示坐标方向；3)潜热处理将金属液凝固时释放的潜热用于补偿由于热量传递引起的温度降低，当金属液粒子温度值处于液相线和固相线之间时，修正后的温度值计算公式如下：当TL≤To≤1600℃时：Tc*=Tc+LCpTc<TS-LCpTL-CpCp+LTL-TS(TL-Tc)TS-LCp≤Tc≤TL]]>当To＜TL时：Tc*=Tc+LCp(To-TSTL-TS)To<TS-LCp(To-TSTL-TS)To-CpCp+LTL-TS(To-Tc)TS-LCp(To-TSTL-TS)≤Tc≤TL]]>式中：表示当前时刻修正后的温度值，Tc表示当前时刻修正前的温度值，L表示金属液的凝固潜热，Cp表示比热容，To表示上一时刻的温度值，Ts表示固相线温度，TL液相线温度；4)对于型腔内粒子，在影响域内，计算如下过程：Tg=max(Ti-Tjrij)]]>Cr=To-T·Δt]]>式中：Ti表示粒子i的温度值，Tj表示粒子j的温度值，rij表示粒子间距，To表示粒子i在上一时刻的温度值，T·表示粒子i在当前时刻的温度值，若粒子温度处于液相线和固相线之间时取修正后温度值，Δt表示时间步长，若Tg与Cr的比值小于0.8，判断出现缩松；④经过一个时间步长，对粒子的温度、速度、位置进行更新，具体步骤如下：1)粒子在当前时刻的温度值等于其上一时刻的温度值加上温度随时间的变化率乘以时间步长，当金属液粒子温度处于液相线与固相线之间时，进行温度值修正；2)金属液粒子粒子速度和位置更新如下：金属液粒子在当前时刻的速度值等于其上一时刻的速度值加上加速度乘时间步长；金属液粒子在当前时刻的位置值等于其上一时刻的位置值加上加速度乘以时间步长的平方再乘以一个时间步长计算完成后，重新进行粒子的搜索、配对和粒子温度、速度、位置和物性参数的计算，直到计算结束；铸钢件砂型铸造过程的缩松缺陷预测方法由计算机程序完成，以VC++为开发平台进行程序编写；(3)预测结果数值模拟结果表明圆柱体铸件出现缩松缺陷，与实测结果吻合。