CN100458801C - 一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法 - Google Patents

Abstract

一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，属于计算机应用技术领域。铸件凝固模拟中预测缩松的判据为：

，其中P是金属液的压力(Pa)；G_s是固相率梯度(%/cm)；R是等价冷却速度(K/min)；C是临界值。满足此判据的单元认为产生缩松。在铸件凝固模拟过程中，对即将凝固的单元进行缩松判据的计算，并判断该单元是否产生缩松。该判据不但考虑了压力对缩松的影响，而且引入了与压力损失直接相关的固相率梯度因素，可以提高缩松预测的精度。

Description

一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法

一、技术领域

本发明涉及一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，属于计算机应用技术领域。

二、技术背景

铸件凝固模拟软件主要是通过模拟铸件的凝固过程来预测铸造缺陷的形成，所预测的铸造缺陷主要是缩孔和缩松，预测缩松是铸件凝固模拟软件的一项重要的任务。

预测缩松的方法有等温度曲线、等固相率曲线法、温度梯度法、流导法、固相率梯度法、

(修正的温度梯度法)、压力梯度法、临界固相率等。

目前主要应用的预测缩松的判据是 $G/\sqrt{R}\≤C,$ 其中G是温度梯度(K/cm)，R是冷却速度(K/min)，C是临界值。

所有这些仅仅是考虑了凝固条件对缩松形成的影响，而与缩松形成有着直接影响的几个因素却没有考虑。如与补缩条件有关的金属液的压力P，补缩通道上影响压力损失的固相率梯度G_s等。

三、发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法。

本发明方法的预测缩松判据公式为： $P\·G_s/\sqrt{R}\≤C,$ 根据该公式对缩松进行预测，并取得了良好的效果。

一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，根据直接影响缩松形成的各个因素，将铸件凝固模拟软件运行于计算机上，在预测缩松判据公式 $P{\·G}_s/\sqrt{R}\≤C$ 中，P为金属液的压力，G_s固相率梯度，R是冷却速度(K/min)，C是临界值，具体确定步骤为：

1)计算程序开始，利用通用的差分方法计算出铸件的温度场，根据温度场，对铸件液态区进行金属液压力P的计算；

2)根据温度场计算结果，确定铸件是否有即将凝固单元即当前单元？如果有，对当前单元进行缩松判据的计算；如果没有，计算程序返回步骤1)，继续计算铸件的温度场；对于不是即将凝固时刻的单元不进行缩松判据的计算；

3)根据步骤2)确定的当前单元，计算当前单元与相邻26个单元的距离；

4)根据当前单元与相邻26个单元的距离以及当前单元和相邻单元的固相率差，计算当前单元在相邻26个单元方向上的固相率梯度G_s，并选取固相率梯度最大者为当前单元的固相率梯度G_s；

5)计算当前单元的等价冷却速度R，计算方法为，将凝固模拟过程中一个时间步长内释放的潜热换算成当前单元温度的降低，此温度的降低与该单元实际温度的降低之和除以一个时间步长作为当前单元的冷却速度，称之为等价冷却速度；

6)根据步骤3)、4)、5)的计算结果，利用公式

计算判据值，如果判据值与临界值C的关系满足预测缩松判据公式 $P{\·G}_s/\sqrt{R}\≤C,$ 即确定当前单元为缩松。

所述的与当前单元相邻的26个单元是，面相邻的6个，棱相邻的12个和顶点相邻的8个，当前单元与相邻26个单元的距离是当前单元中心点与相邻26个单元中心点之间的距离。

在铸件凝固模拟中，首先计算出铸件的温度场，温度场的计算采通用的有限差分方法，结晶潜热、边界条件、固相率等有关凝固问题的处理都在这里完成。根据温度场的情况，对液态区域进行金属液压力的计算，压力计算可以采用流场模拟的方式计算，也可以直接利用计算液体静压力的方式计算金属液的静压力。压力计算结束以后，保留至后续的缩松判据使用。某单元缩松判据的计算要在该单元即将凝固的时刻进行，该时刻就是：所计算单元的固相率刚刚达到1的前一个时刻，即刚刚凝固的前一个时刻。对于计算缩松判据的单元来说，需要计算该单元(称当前单元)与相邻26个单元的固相率梯度和它本身的等价冷却速度。首先要计算当前单元与相邻26个单元的距离，与当前单元相邻的26个单元是，面相邻的6个，棱相邻的12个和顶点相邻的8个，当前单元与相邻26个单元的距离是两个单元中心点的距离。固相率梯度是当前单元与相邻26个单元的固相率差除以它们之间的距离，取其中最大者而得。等价冷却速度就是把当前单元一个时间步长内释放的凝固潜热折算为该单元的温度降低的数值与该单元实际温度降低的数值叠加在一起，然后除以一个时间步长即可得到当前单元的等价冷却速度。按照判据公式计算判据值

将此值与临界值C相比较，判据值小于等于临界值的单元设置为缩松单元，否则不为缩松单元。对于不同的合金临界值也不同，要由实验确定。

四、附图说明

图1是本发明中确定铸件即将凝固单元的数值模拟方法流程图。

图2是本发明中计算预测缩松判据的方法流程图。

五、具体实施方式

实施例：一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，根据直接影响缩松形成的各个因素，将铸件凝固模拟软件运行于计算机上，在预测缩松判据公式 $P{\·G}_s/\sqrt{R}\≤C$ 中，P为金属液的压力，G_s固相率梯度，R是冷却速度(K/min)，C是临界值，具体确定步骤为：

1)计算程序开始，利用通用的差分方法计算出铸件的温度场，根据温度场，对铸件液态区进行金属液压力P的计算；

2)根据温度场计算结果，确定铸件是否有即将凝固单元即当前单元？如果有，对当前单元进行缩松判据的计算；如果没有，计算程序返回步骤1)，继续计算铸件的温度场；对于不是即将凝固时刻的单元不进行缩松判据的计算；

3)根据步骤2)确定的当前单元，计算当前单元与相邻26个单元的距离；

4)根据当前单元与相邻26个单元的距离以及当前单元和相邻单元的固相率差，计算当前单元在相邻26个单元方向上的固相率梯度G_s，并选取固相率梯度最大者为当前单元的固相率梯度G_s；

5)计算当前单元的等价冷却速度R，计算方法为，将凝固模拟过程中一个时间步长内释放的潜热换算成当前单元温度的降低，此温度的降低与该单元实际温度的降低之和除以一个时间步长作为当前单元的冷却速度，称之为等价冷却速度；

6)根据步骤3)、4)、5)的计算结果，利用公式

计算判据值，如果判据值与临界值C的关系满足预测缩松判据公式 $P\·G_s/\sqrt{R}\≤C,$ 即确定当前单元为缩松。

所述的与当前单元相邻的26个单元是，面相邻的6个，棱相邻的12个和顶点相邻的8个，当前单元与相邻26个单元的距离是当前单元中心点与与相邻26个单元中心点之间的距离。

在铸件凝固模拟中，首先计算出铸件的温度场，温度场的计算采通用的有限差分方法，结晶潜热、边界条件、固相率等有关凝固问题的处理都在这里完成。根据温度场的情况，对液态区域进行金属液压力的计算，压力计算可以采用流场模拟的方式计算，也可以直接利用计算液体静压力的方式计算金属液的静压力。压力计算结束以后，保留至后续的缩松判据使用。某单元缩松判据的计算要在该单元即将凝固的时刻进行，该时刻就是：所计算单元的固相率刚刚达到1的前一个时刻，即刚刚凝固的前一个时刻。对于计算缩松判据的单元来说，需要计算该单元(称当前单元)与相邻26个单元的固相率梯度和它本身的等价冷却速度。首先要计算当前单元与相邻26个单元的距离，与当前单元相邻的26个单元是，面相邻的6个，棱相邻的12个和顶点相邻的8个，当前单元与相邻26个单元的距离是两个单元中心点的距离。固相率梯度是当前单元与相邻26个单元的固相率差除以它们之间的距离，取其中最大者而得。等价冷却速度就是把当前单元在一个时间步长内释放的凝固潜热折算为该单元的温度降低的数值与该单元实际温度降低的数值叠加在一起，然后除以一个时间步长即可得到当前单元的等价冷却速度。按照判据公式计算判据值

将此值与临界值C相比较，判据值小于等于临界值的单元设置为缩松单元，否则不为缩松单元。

Claims (2)

1、一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，其特征在于，根据预测缩松判据公式 $P\·G_s/\sqrt{R}\≤C,$ 利用计算机，按如下步骤进行：

1)计算程序开始，利用通用的差分方法计算出铸件的温度场，根据温度场，对铸件液态区进行金属液压力P的计算；

2)根据温度场计算结果，确定铸件是否有即将凝固单元，即当前单元，如果有，对当前单元进行缩松判据的计算；如果没有，计算程序返回步骤1)，继续计算铸件的温度场；对于不是即将凝固单元的不进行缩松判据的计算；

3)根据步骤2)确定的当前单元，计算当前单元与相邻26个单元的距离；

4)根据当前单元与相邻26个单元的距离以及当前单元和相邻单元的固相率差，计算当前单元在相邻26个单元方向上的固相率梯度G_s，并选取固相率梯度最大者为当前单元的固相率梯度G_s；

5)计算当前单元的等价冷却速度R，计算方法为，将凝固模拟过程中一个时间步长内释放的潜热换算成当前单元温度的降低，此温度的降低与该单元实际温度的降低之和除以一个时间步长作为当前单元的冷却速度，称之为等价冷却速度；

6)根据步骤3)、4)、5)的计算结果，利用公式计算判据值，如果判据值与临界值C的关系满足预测缩松判据公式 $P\·G_s/\sqrt{R}\≤C,$ 即确定当前单元为缩松。

2、如权利要求1所述的一种铸件凝固模拟中预测缩松的方法，其特征在于，所述的与当前单元相邻的26个单元是，面相邻的6个，棱相邻的12个和顶点相邻的8个，当前单元与相邻26个单元的距离是当前单元中心点与相邻26个单元中心点之间的距离。

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