CN102294466B - 一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法，包括：(1)获取金属液的温度场数据；(2)选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前单元的粘度μ，并获取补缩距离d和临界粘度μ_c；(3)根据获得的μ、d以及μ_c，按照判据：μ≥μ_c·e^d进行判断，如果满足上述判据，可判断当前单元为缩孔单元；其中，e为自然对数底。该方法对合金液凝固过程缩孔预测的精度高，并且应用范围广。

Description

一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法

技术领域

本发明涉及一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法。

背景技术

铸件的凝固过程除了固液界面迁移外，还伴随着传热、传质的运动，铸件的许多缺陷都与凝固过程密切相关。铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形象描述这一变化过程，对于分析铸造缺陷、预测铸件质量、优化铸造工艺有积极的作用。

目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面：充型凝固模拟、缩孔预测、凝固过程应力模拟和凝固过程微观组织模拟。其中，缩孔预测尤其重要。

为了预测铸件缩孔的产生及其程度(缩孔形状、尺寸)，考虑了缩孔生成的机理凝固解析是必要的，但是严密的解析非常困难，实际上往往采用以下几种简易方法来预测它们的产生：1、热导法。判断缩孔产生的条件： 2、压力梯度法，判断缩孔产生的条件：。3、液体金属补缩距离法。判断缩孔产生的条件是液体金属补缩有效距离≤需要补缩的距离。但是该方法不适用于形状复杂的构件。4、直接模拟法。判断缩孔产生的条件是压力≤气泡发生临界压力，及自由表面下降。该方法的特征是能评估冒口压头，也能评估多个冒口的干扰；但是计算时间长，占用内存多。另外，也可以采用法或法。上述两方法判断缩孔产生的条件是，或小于或等于临界值。

但是上述各种方法对合金尤其是非晶合金凝固过程缩孔预测的精度较低。

发明内容

为了克服现有技术中对合金凝固过程缩孔预测的精度较低的问题，本发明提供了一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法，该方法对合金液凝固过程缩孔预测的精度高，并且应用范围广。

本发明公开的金属液凝固过程中预测缩孔的方法，包括：

(1)、获取金属液的温度场数据；

(2)、选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前单元的粘度μ，并获取补缩距离d和临界粘度μ_c；

(3)、根据获得的μ、d以及μ_c，按照判据：μ≥μ_c·e^d进行判断，如果满足上述判据，可判断当前单元为缩孔单元；其中，e为自然对数底。

通过上述方法，对金属液凝固过程中缩孔预测的精度高。并且该方法可以对各种晶体或非晶合金熔液的凝固过程进行预测，应用范围广。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开的金属液凝固过程中预测缩孔的方法，包括：

(1)、获取金属液的温度场数据；

(2)、选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前单元的粘度μ，并获取补缩距离d和临界粘度μ_c；

(3)、根据获得的μ、d以及μ_c，按照判据：μ≥μ_c·e^d进行判断，如果满足上述判据，可判断当前单元为缩孔单元；其中，e为自然对数底。即e在本发明中取值为2.71828。

根据本发明公开的上述方法，与现有的缩孔判据相比，本发明的发明人根据金属液凝固过程中的各种因素的综合分析，提出了以粘度μ作为判据的一大影响因素，并引入新的参数e^d，从而形成了上述判据μ≥μ_c·e^d。发明人发现，在金属液凝固过程中，金属的补缩距离对其凝固过程也有较大影响。作为金属的特定属性，金属的补缩距离越大，金属液凝固过程中产生缩孔缺陷时越容易得到补缩。对于现有的判据，未考虑补缩距离，即可等效于本发明公开的判据中补缩距离为0，此时相当于默认金属的补缩距离为0，与实际情况不符。在本发明中，通过增加新的参数e^d来考虑补缩距离，金属的补缩距离越大，通过上述判据计算出的预测值也越大，符合补缩距离越大，越容易得到补缩的实际情形。大大提高了预测精度。

相比于传统的判据，本发明通过采用在本领域未尝使用过的粘度判据，能对包括晶体、非晶等各种形态的金属的凝固过程实现缩孔预测，扩大的应用的范围；预测的精度也得到了进一步提高。采用本发明公开的方法对金属液凝固过程中缩孔情况进行判断后，有利于技术人员对金属的熔炼工艺进行调整。

在本发明中，步骤(1)中温度场数据可通过现有的各种方法得到，如可以通过传热学基本方程计算得到。

铸件凝固过程实际上是“铸件-铸型-环境”之间的不稳定热交换过程。在铸件凝固过程中基本上包括了传热中的所有现象：热传导、热对流、热辐射。在液态金属注入铸型后，液态金属内部的热量通过热传导到达铸件的表面，然后通过热辐射和热传导传递给铸型，再通过热传导到达铸型的外表面，最后通过热辐射和对流散发到环境中。与此同时铸型型腔内液态金属的温度不断下降，且温度不均匀。这种不均匀性造成了铸型型腔中的液态金属的热对流。

下面分别对热传导、热对流和热辐射进行说明。

1、热传导换热

热传导简称导热，它属于接触传热，是连续介质在没有物质之间各部分相对位移的情况下，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热振动进行的热量传递。在密实的不透明的固体中，只能依靠导热方式传递热量。

对于多维温度场的确定，须以能量守恒和傅立叶定律为基础，分析导热体中的微元体，得出表示导热现象基本规律的三维热传导的微分方程：

$\mathrm{\λ}(\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂y}^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{{\∂x}^2})+Q_3=\mathrm{c\ρ}\frac{\∂T}{\∂t}$

式中：

Q₃-热传导热量变化值，单位为：J；

ρ-物体的密度，单位为：Kg/m³；

λ-导热系数，单位为：W/m·K；

c-比热，单位为：J/m³；

T-温度，单位为：K；

t-时间，单位为：s；

x、y、z-任意点的坐标值。

选取当前单元，即获得当前单元的x、y、z值，然后根据具体的金属种类，可查询出其密度ρ、导热系数λ及比热c。再根据上一时刻的温度场数据，获得上一时刻当前单元的温度数据T，通过上述方程可以计算出热传导热量变化值。

其中，由于初始时刻的温度均为事先设定的，即设定金属液达到某个温度后开始凝固过程模拟，该温度即为初始时刻的温度，所以对于初始时刻的温度场数据为已知的。根据该已知的初始时刻温度场数据，可以计算出从初始时刻到下一时刻的热传导热量变化值。

2、热对流换热

对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷流物体相互掺混所引起的热量传递方式。对流仅能发生在流体中，而且必然伴随着导热。

对流换热在计算的形式上，采用牛顿所提出的公式，即：

Q₁＝αA(T_f-T_w)

式中：

Q₁-热对流热量变化值，单位为：J；

α-单位温度差下在单位面积上的换热量，单位为：W/m²K；

A-换热面积，单位为：m²；

T_f-热对流换热过程中的环境温度，单位为：K；

T_w-壁的温度，单位为：K。

上述方程中，α对于某种特定的金属材料，可以通过相关工具书查取。

T_f根据热对流过程中环境的实际温度进行设定。

T_w通过的温度场数据直接获取。

A对于特定模型不同，如对于圆柱体和立方体均不同，但均可以通过计算选用的当前单元的模型的表面积得到。

通过上述方程可以计算出热对流热量变化值Q₁。

3、热辐射换热

不直接接触的两物体之间可以传递辐射能，这时物体之间也无需存在任何介质。通常把物体发出辐射线及其传播的过程称为辐射，而物体把本身的内能转化为对外发射辐射线及其传播的过程称为热辐射，即物体因热的原因发出辐射能的现象称为热辐射。物体之间通过发出和接受辐射能进行的换热称为热辐射换热。

铸型对周围环境热辐射换热的换热量：

$Q_2={\mathrm{\ϵA}}_1{\mathrm{\σ}}_b(T_1^4-T_2^4)$

式中：

Q₂-热辐射热量变化值，单位为：J；

ε-灰体的黑度，0-1；

σ_b-斯蒂芬-玻耳兹曼常数，为5.67×10^-8(W/m²K⁴)；

A₁-物体的散热面积，单位为：m²；

T₁-热辐射过程中物体的温度，单位为：K；

T₂-热辐射过程中环境的温度，单位为：K。

上述方程中，ε对于某种特定的金属材料，可以通过相关工具书查取。

T₁即为当前单元的温度。

T₂热辐射过程中环境的温度设定得到。

A₁对于特定模型不同，如对于圆柱体和立方体均不同，但均可以通过计算选用的当前单元的模型的表面积得到。

通过上述方程可以计算出热辐射热量变化值Q₂。

通过传热学方程计算温度场数据的方法包括：

(11)、选取任一单元，基于上一时刻的温度场数据，得出该单元上一时刻的温度数据；然后通过热传导、热对流、热辐射计算该单元从上一时刻到当前时刻的总热量变化值，通过该总热量变化值，采用温度变化方程计算该单元从上一时刻到当前时刻的温度变化值；再基于上一时刻的温度数据和从上一时刻到当前时刻的温度变化值，得到该单元当前时刻的温度数据；

所述温度变化方程为：

其中：Q为总热量变化值，为前述Q₁、Q₂、Q₃之和，单位为J，C为金属的比热，单位是kJ/kg·℃，ρ为金属的密度，单位是kg/m³，V为当前单元的体积，单位是m³；

(12)、重复步骤(11)，对金属液的所有单元按温度变化方程进行计算，得到金属液的温度场数据。

其中，热传导热量变化值、热对流热量变化值、热辐射热量变化值可通过前述方法进行计算。热传导热量变化值、热对流热量变化值、热辐射热量变化值之和即为总热量变化值。

本领域技术人员通过以上方程的计算，即可得到上述温度场数据。

获取当前单元的粘度μ的方法为：结合温度场数据，获取当前单元的温度数据，根据当前单元的温度数据，获得当前单元的粘度μ。

由于计算温度场数据时，已经计算过了每个单元的温度数据，所以，获取当前单元的温度数据时，可根据温度场数据直接读取。

对于每种固定组成的金属液，其他条件不变时，它在固定的温度下的粘度是固定的，即粘度相对于温度具有固定的曲线。所以，获取当前单元的温度数据后，可直接读取当前单元的粘度μ。如可根据当前单元的温度数据，结合该金属材料的温度-粘度曲线，直接读取当前单元的粘度μ。上述金属材料的温度-粘度曲线为可通过现有技术测得。

而作为衡量金属液凝固是否产生缩孔的关键判据，临界粘度μ_c至关重要。对于不同的合金，临界粘度μ_c也不同；对于同一种金属或合金，其临界粘度μ_c基本为定值。通常，该临界粘度μ_c为已知的。同时，该临界粘度μ_c也可自行获取。临界粘度μ_c的获取方法可以为现有技术中的各种方法，如判据临界粘度μ_c主要通过实际压铸与模拟分析相结合的方法获取。针对固定的金属材料，基于固定的模型和压铸工艺条件，进行实际压铸，得到铸件；对铸件进行剖分确定铸件内部缩孔的位置和大小；

然后，设定预测临界粘度，采用基础判据μ≥μ_c进行模拟分析，获得包括缩孔位置和大小的模拟结果，将模拟结果与铸件内部缩孔的位置和大小进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小不相同，则调整预测临界粘度，再进行模拟分析；如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小相同，则该预测临界粘度即为临界粘度μ_c。

同样的，对于不同的合金，补缩距离d也不同；对于同一种金属或合金，其补缩距离d基本为定值。通常，该补缩距离d为已知的。同时，该补缩距离d也可自行获取。补缩距离d的获取方法可以为现有技术中的各种方法，如补缩距离d通过实际压铸与模拟相结合的方法获取。根据本发明，在获取临界粘度μ_c后，所述补缩距离d的获取方法为：针对固定的金属材料，基于固定的模型和压铸工艺条件，进行实际压铸，得到铸件；对铸件进行剖分确定铸件内部缩孔的位置和大小；

然后，根据获取的临界粘度μ_c，设定预测补缩距离，采用判据μ≥μ_c·e^d进行模拟分析，获得包括缩孔位置和大小的模拟结果，将模拟结果与铸件内部缩孔的位置和大小进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小不相同，则调整预测临界粘度，再进行模拟分析；如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小相同，则该预测补缩距离即为补缩距离d。对于特定的材料，临界粘度值是定值，虽然临界粘度值得获取方法是实际铸件与模拟结果相对比的方法来获取，但是实际试验结果与模拟结果还是有差距的(CAE分析均为理想化，与实际环境是有差别)，即使在某一条件下获取的临界粘度μ_c并非一定为该材料准确的临界粘度μ_c，而目的是为不断提高预测的精度。

其中，所述进行模拟分析的方法包括先进行缩孔熔池划分，然后进行收缩量计算，即可获得缩孔的位置和大小。所述缩孔熔池划分与收缩量计算均可采用现有的方法进行。所述收缩量计算方法包括分别计算液态收缩量V_ls和凝固收缩量V_ss，然后取液态收缩量V_ls和凝固收缩量V_ss之和。

具体的，在缩孔熔池的划分过程中，采用了多熔池判别技术。利用多熔池判别技术与金属的固-液界面判据相结合，将铸件凝固过程中形成的多个相互孤立的熔池区分开来，并计算每个熔池在凝固过程中的液态收缩量和凝固收缩量。依此来判断每个熔池所产生缩孔的部位和大小。即，可在假定一个临界粘度μ_c后通过本发明公开的方法预测熔池的位置。计算每个熔池凝固过程中的液态收缩量和凝固收缩量。

据公式：V＝V_ss+V_ls计算缩孔的大小。

式中：

V——熔池当前单元的体积收缩量，即缩孔的体积；

V_ss——当前单元的凝固收缩量；

V_ls——当前单元的液态收缩量。

其中，当前单元的凝固收缩量可按如下公式进行计算：

V_ss＝V_c·S_s

式中：

V_ss——当前单元的凝固收缩量，m³；

V_c——当前单元的体积，m³；该体积通过设定的当前单元模型，然后由计算机进行网格划分，划分后得到的单个小单元体积即为当前单元的体积。

S_s——金属的凝固收缩率，％；凝固收缩率可通过查询现有技术中的工具书获得。

当前单元的液态收缩量可按如下公式进行计算：

V_ls＝V_c·S_l·(T′-T)

式中：

V_ls——当前单元的液态收缩量，m³；

V_c——当前单元的体积，m³；

S_l——金属的液态收缩率，K^-11凝固收缩率可通过查询现有技术中的工具书获得。

T′——该单元上一时刻的温度，K；

T——该单元当前时刻的温度，K。T′和T均可通过温度场数据获得。

为验证该临界粘度μ_c的正确性，可根据不同的模型和压铸工艺进行分析。在本发明中，临界粘度μ_c的获取方法为：通过实际压铸与模拟相结合，并进行修正得到。

本发明中，各种数据的获得及计算均可通过现有技术中的计算机装置来完成。

根据本发明，以非晶合金为例，对其凝固过程进行缩孔连续预测。具体方法为：金属熔炼结束后，不断通过传热学方程计算金属液的温度场，根据温度场确定金属液是否即将凝固，如果不是，则返回继续计算温度场；如果确定即将凝固，选取进行预测的单元为当前单元，根据上述温度场数据，获取当前单元的温度数据，根据当前单元的温度数据，获得当前单元的粘度μ。

然后，根据获得的当前单元的粘度μ，结合已知的临界粘度μ_c，将当前单元的粘度μ与金属液的临界粘度μ_c进行比较，当满足μ≥μ_c·e^d的关系时，可判断当前单元为缩孔单元。

采用本发明公开的金属液凝固过程中预测缩孔的方法，能实现金属液凝固过程中缩孔情况的精确预测。并且该方法的应用范围广，可对共晶或非晶等各类金属材料的金属液凝固过程中缩孔情况进行预测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属液凝固过程中预测缩孔的方法，包括：

（1）、获取金属液的温度场数据；

（2）、选取进行预测的单元为当前单元，结合所述温度场数据，获取当前单元的粘度μ，并获取补缩距离d和临界粘度μ_c；

（3）、根据获得的μ、d以及μ_c，按照判据：μ≥μ_c·e^d进行判断，如果满足上述判据，判断当前单元为缩孔单元；其中，e为自然对数底。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤（1）中温度场数据通过传热学方程计算得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述通过传热学方程计算温度场数据的方法包括：

a、选取任一单元，基于上一时刻的温度场数据，得出该单元上一时刻的温度数据；然后通过热传导、热对流、热辐射计算该单元从上一时刻到当前时刻的总热量变化值，通过该总热量变化值，采用温度变化方程计算该单元从上一时刻到当前时刻的温度变化值；再基于上一时刻的温度数据和从上一时刻到当前时刻的温度变化值，得到该单元当前时刻的温度数据；

所述温度变化方程为：

其中：Q为总热量变化值，单位为J，C为金属的比热，单位是kJ/kg·℃，ρ为金属的密度，单位是kg/m³，V为当前单元的体积，单位是m³；

b、重复步骤a，对金属液的所有单元按温度变化方程进行计算，得到金属液的温度场数据。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，获取当前单元的粘度μ的方法为：结合温度场数据，获取当前单元的温度数据，根据当前单元的温度数据，获得当前单元的粘度μ。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述临界粘度μ_c的获取方法为：

针对固定的金属材料，基于固定的模型和压铸工艺条件，进行实际压铸，得到铸件；对铸件进行剖分确定铸件内部缩孔的位置和大小；

然后，设定预测临界粘度，采用基础判据μ≥μ_c进行模拟分析，获得包括缩孔位置和大小的模拟结果，将模拟结果与铸件内部缩孔的位置和大小进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小不相同，则调整预测临界粘度，再进行模拟分析；如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小相同，则该预测临界粘度即为临界粘度μ_c。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述补缩距离d的获取方法为：针对固定的金属材料，基于固定的模型和压铸工艺条件，进行实际压铸，得到铸件；对铸件进行剖分确定铸件内部缩孔的位置和大小；

然后，根据获取的临界粘度μ_c，设定预测补缩距离，采用判据μ≥μ_c·e^d进行模拟分析，获得包括缩孔位置和大小的模拟结果，将模拟结果与铸件内部缩孔的位置和大小进行对照，如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小不相同，则调整预测补缩距离，再进行模拟分析；如果模拟结果与实际铸件中缩孔的位置和大小相同，则该预测补缩距离即为补缩距离d。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述进行模拟分析的方法包括先进行缩孔熔池划分，然后进行收缩量计算，即可获得缩孔的位置和大小。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述收缩量计算方法包括分别计算液态收缩量V_ls和凝固收缩量V_ss，然后取液态收缩量V_ls和凝固收缩量V_ss之和。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，凝固收缩量V_ss按凝固收缩量方程计算，所述凝固收缩量方程为：

V_ss=V_c·S_s

式中：

V_ss为当前单元的凝固收缩量，单位为m³；V_c为当前单元的体积，单位为m³；S_s为金属的凝固收缩率，单位为%。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，液态收缩量V_ls按液态收缩量方程计算，所述液态收缩量方程为：

V_ls=V_c·S_l·(T'-T)

式中：V_ls为当前单元的液态收缩量，单位为m³；V_c为当前单元的体积，单位为m³；

S_l为金属的液态收缩率，单位为K^-1；T'为当前单元上一时刻的温度，单位为K；T为当前单元当前时刻的温度，温度为K。