CN110059445B - 一种铸件裂纹形成预测判据及仿真实现方法 - Google Patents

一种铸件裂纹形成预测判据及仿真实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新的铸件裂纹形成预测判据及其仿真实现方法，属于计算机仿真分析及应用领域，包含以下步骤：步骤1，建立铸件的裂纹形成预测判据；步骤2，基于铸件的具体裂纹形成预测判据，采用数值模拟软件实现铸件裂纹形成预测的仿真计算。本发明综合考虑到了裂纹在铸件材料的凝固温度区间内形成以及低固相率（小于0.85）时的合金液体对铸件中已形成裂纹的补缩弥合作用而使其消失的实际情况，同时考虑到了裂纹可能在铸件材料固相线温度以下形成的实际情况，扩大了铸件裂纹形成预测的温度范围；此外，提供了一种大多数铸造技术人员都能够掌握使用的仿真实现方法，具有很强的实际应用性。

Description

一种铸件裂纹形成预测判据及仿真实现方法
技术领域
本发明涉及一种新的铸件裂纹形成预测判据及仿真实现方法，属于计算机仿真分析及应用领域。
背景技术
裂纹是铸件中常见的同时也是一种危害极大的不可逆的质量缺陷，它的出现将严重影响铸件的力学性能和使用安全性，甚至有使铸件面临报废的可能，由此会进一步影响企业的生产效率和生产效益，基于此，控制裂纹的出现目前已然成为铸造工业生产中面临的急需解决的重大瓶颈问题之一。对于一种既定的合金和既定的铸件结构，控制裂纹的手段无非是优化铸造工艺参数和改进铸模结构两种，优化铸造工艺参数和改进铸模结构的前提就是对铸件的裂纹形成概况具有一定的了解，对此目前主要有采用试验试错和仿真分析两种手段，对于一些大型复杂铸件或者一些昂贵的特殊合金铸件，采取试验试错的方式成本太高、周期太长，显然不是一种经济高效的手段之一，而仿真分析是采用计算机计算求解分析的方式，具有高效、低成本和直观性好等传统试验试错手段不具备的优势，尤其是现阶段随着计算机技术的发展，仿真分析结果已经具有很高的能够满足现实需求的精度，所以仿真分析手段是预知了解铸件中裂纹形成概况的不二选择。
利用仿真分析手段进行预测和了解铸件的裂纹形成概况，首先得建立针对铸件裂纹形成的预测判据以及形成相对应预测判据的仿真具体实现方法。目前，虽然已有不少针对铸件裂纹形成的预测判据，但是这些判据能够提供的预测温度范围仅仅限于合金的凝固温度区间，且不少判据只是基于纯粹的凝固补缩理论来判定的；而在实际中，铸件上的裂纹既有形成于合金凝固温度区间内的裂纹，又有形成于合金固相线温度以下的高温裂纹，并且凝固补缩不良的区域不一定就会就会产生裂纹，有可能只是以缩孔疏松的形式存在；此外，其中的一些复杂判据很难通过仿真技术实现，而简单的判据也未曾给定具体的仿真实现方法，这非常不利于其在实际中的使用。因此目前的这些裂纹预测判据既具有一定的适用局限性，又具有一定的实用局限性。
发明内容
发明目的：为解决上述现有技术的缺陷和不足，使得铸件的裂纹预测判据适用范围更广，同时也为了使裂纹预测判据能被普通铸造技术人员通过现有并能够快速掌握的仿真技术实现，本发明基于铸件中裂纹形成的最本质原因(即当铸件中某处所受到的应力大于该处在相对应温度下的极限强度时，则裂纹会便会在该处萌生和扩展)，同时兼顾考虑低固相率(小于0.85)时，合金液体会对此时已产生的裂纹起到补缩而使裂纹弥合消失的作用，提供了一种新的铸件裂纹形成预测判据及其仿真实现方法。
技术方案：
本发明首先提供一种铸件裂纹形成预测判据，其特征在于通式描述为：
Figure BDA0002059923350000021
式中，CSI(x,y,z,T(x,y,z))表示铸件中(x、y、z)位置处的裂纹敏感性指数CSI；铸件中某处的该指数值大于1，则该处有可能出现裂纹，且该指数值越大，出现裂纹的可能性越大；x、y、z为铸件中某位置点处的坐标；T(x,y,z)为铸件中(x、y、z)位置处的温度；σ(x,y,z,T(x,y,z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时所受的应力；fs(x,y,z,T(x,y,z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时的固相率大小；Ts为铸件材料的固相线温度；σb(T)为铸件材料在温度T下能够承受的极限应力。
本发明进一步提供了基于上述铸件裂纹形成预测判据的铸件裂纹形成预测仿真实现方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
步骤1，建立上述铸件的裂纹形成预测判据。
对于特定的铸件材料，其具体的铸件裂纹形成预测判据建立过程包含以下子步骤：
子步骤1.1，获取铸件材料的Ts和不同温度下的σb：采用试验测定或材料科学计算软件计算获取铸件材料的固相线温度Ts、铸件材料在固相线温度Ts处的极限强度σb，以及其他不同温度T下极限强度σb；
子步骤1.2，求取铸件材料极限强度σb(T)的函数关系式：根据获取的铸件材料在不同温度T下的极限强度σb，采用公式σb(T)＝aT3+bT2+cT+dT0.5+e将不同温度下的材料极限强度σb描述成温度T的函数σb(T)；
子步骤1.3，确定铸件的具体裂纹预测判据：将上述得到的铸件材料固相线温度Ts、极限强度σb与温度T的拟合函数关系式σb(T)代入铸件裂纹形成预测判据通式(1)，得出特定铸件材料下的铸件裂纹形成预测判据。
步骤2，基于铸件的具体裂纹形成预测判据，采用数值模拟软件实现铸件裂纹形成预测的仿真计算。具体包含以下子步骤：
子步骤2.1，几何建模：根据实际的铸模、铸件结构形状和尺寸大小，采用三维造型软件建立相对应的三维几何模型；
子步骤2.2，网格划分：采用专用有限单元网格划分软件或大型铸造数值模拟软件的网格划分模块对三维几何模型进行网格划分，实现铸模和铸件的离散化；
子步骤2.3，参数施加：根据实际的铸造工艺、铸模及铸件材料参数情况以及铸模、铸件的实际换热和结构约束情况，在铸造数值模拟软件中对离散化的有限单元模型进行铸造工艺参数、热量交换参数、结构约束参数的施加；
子步骤2.4，热-力耦合计算：进行热-力耦合仿真计算，获取铸造数值模拟软件能够直接输出的铸件在任何同一时刻的温度场和应力场以及固相率分布场；
子步骤2.5，裂纹敏感性指数CSI计算：采用大多数铸造数值模拟软件提供的用户自定义结果逻辑运算功能，将仿真计算得出来的铸件在任何同一时刻的温度场、应力场、固相率分布场代入铸件的具体裂纹形成预测判据进行逻辑运算。
子步骤2.6，输出CSI结果：将计算得到的铸件在任何时刻的裂纹敏感性指数CSI分布可视化，输出铸件的裂纹敏感性指数CSI分布图。
进一步地，子步骤2.3所述的铸造工艺参数参数包括了实际铸造中的材料参数、热量交换参数和结构约束参数，材料参数为材料的比热容、导热系数、密度、液相线温度、固相线温度、固相率变化、凝固潜热、热焓、粘度、应力应变曲线、弹性模量、泊松比、热膨胀系数，热量交换参数为对流换热系数、界面传导换热系数、热辐射换热系数、热流量系数，结构约束参数为铸件或铸模在x、y、z方向的位移。
有益效果：本发明提供的一种新的铸件裂纹形成预测判据及其仿真实现方法，综合考虑到了裂纹在铸件材料的凝固温度区间内形成以及低固相率(小于0.85)时的合金液体对铸件中已形成裂纹的补缩弥合作用而使其消失的实际情况，同时考虑到了裂纹可能在铸件材料固相线温度以下形成的实际情况，实现了对裂纹在铸件凝固冷却全过程形成可能性的预测，扩大了铸件裂纹形成预测的温度范围；此外，本发明针对这种新的铸件裂纹形成判据，提供了一种大多数铸造技术人员都能够掌握使用的仿真实现方法，它能够使铸件的裂纹形成预测概况完全动态可视化，具有很强的实际应用性，对于指导实际铸造工艺或铸模、铸件的设计和改进优化具有极大的现实意义。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是铸件材料在不同温度下的极限强度；
图3是本实施例的铸模三维半剖结构图；
图4是本实施例的铸件三维结构图；
图5是本实施例的铸模有限单元模型；
图6是本实施例的铸件有限单元模型；
图7是本实施例的铸件温度场分布云图；
图8是本实施例的铸件应力场分布云图；
图9是本实施例的铸件固相率分布云图；
图10是本实施例的铸件裂纹敏感性指数CSI。
具体实施方式
为了使相关技术人员更加清楚详细了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供的一种新的铸件裂纹形成预测判据及其仿真实现方法，其具体过程如下：
步骤1，建立铸件的裂纹形成预测判据
子步骤1.1，获取铸件材料的Ts和不同温度下的σb：本实施例选用NM450钢作为铸件材料，材料的固相线温度Ts以及其在各温度下(T≤Ts)的极限强度均采用材料科学计算软件进行计算，计算得到铸件材料NM450钢的固相线温度Ts为1466℃，σb(Ts)为1.74MPa，不同温度T下的极限强度σb如图2所示；
子步骤1.2，求取铸件材料极限强度σb(T)的函数关系式：使用公式采用公式σb(T)＝aT3+bT2+cT+dT0.5+e(T≤Ts＝1466℃)对材料的极限强度计算数据进行拟合，不同温度下的极限强度σb(T)为：
Figure BDA0002059923350000041
子步骤1.3，确定铸件的具体裂纹预测判据：将上述得到的铸件材料固相线温度Ts＝1466℃、σb(Ts)＝1.74MPa、不同温度下的极限强度σb(T)(式子(2))代入铸件裂纹形成预测判据通式(1)，得出铸件材料为NM450钢下的铸件裂纹形成预测判据为：
Figure BDA0002059923350000051
式中，x、y、z为铸件中某位置处的坐标；CSI(x,y,z,T(x,y,z))表示铸件中(x、y、z)位置处的裂纹敏感性指数CSI；T(x,y,z)为铸件中(x、y、z)位置处的温度；σ(x,y,z,T(x,y,z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时所受的应力；fs(x,y,z,T(x,y,z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时的固相率大小。
步骤2，基于铸件的具体裂纹形成预测判据，采用数值模拟软件实现铸件裂纹形成预测的仿真计算
子步骤2.1，几何建模：本实施例选用定性测试合金成分抗热裂性能的热裂棒铸模以及热裂棒铸件作为实例，根据它们的具体形状和尺寸绘制三维几何模型，热裂棒铸模的三维半剖几何模型及热裂棒铸件的三维几何模型分别如图3和图4所示；
子步骤2.2，网格划分：本实施例中选用国内主流的铸造数值模拟软件PROCAST中的网格划分工具对热裂棒铸模和热裂棒铸件的几何模型进行网格划分，实现热裂棒铸模和热裂棒铸件几何模型的离散化，划分完成后的热裂棒铸模和热裂棒铸件有限单元模型分别如图5和图6所示；
子步骤2.3，参数施加：浇注温度设置为1520℃，浇注速度设置为1kg.s-1，铸件和铸模之间的界面换热系数设置为700w.m-2.℃-1，铸模和外界空气之间设置为5000w.m-2.℃-1，限制铸模底面在竖直方向的位移，铸模、铸件的相关材料数据直接从铸造数值模拟软件PROCAST的材料数据获取并设置；
子步骤2.4，热-力耦合计算：直接在铸造数值模拟软件PROCAST中点击运行进行热裂棒铸件的热-力耦合计算，图7、图8、图9分别为浇注完成后20s时的热裂棒铸件温度场、应力场、固相率分布场。
子步骤2.5，裂纹敏感性指数CSI计算：采用铸造数值模拟软件PROCAST提供的用户自定义结果逻辑运算功能，将数值模拟软件PROCAST已经计算输出的同时刻的热裂棒铸件温度场、应力场、固相率分布场，代入铸件材料NM450钢的裂纹形成预测判据，如式子(3)所示，计算铸件的裂纹敏感性指数CSI。
子步骤2.6，输出CSI结果：将热裂棒铸件的裂纹形成预测概况可视化，图10为浇注完成20s后的热裂棒铸件CSI分布图。
从图10的铸件CSI分布云图可以看到，铸件中CSI值最大的区域位于最长的细圆棒和粗大的竖直圆棒之间的直拐角处，并且随着细圆棒长度的减短，细圆棒和竖直粗圆棒直拐角处的CSI值在不断的降低，仿真结果反映的这种规律跟实际中(设计的)的热裂棒裂纹敏感性规律完全一致，说明本发明提供的一种新的铸件裂纹形成预测判据及其仿真实现方法是合理的，能够被运用于实际并指导实际。
另外，上述的具体实施例仅用于更加清楚的说明本发明的技术方案，其中所涉及到相关参数并不直接具有借鉴意义，为保证仿真计算结果的准确可靠性，用户在使用本发明时，应严格遵循实际情况，设置输入正确的相关参数；最后应当理解，上述实例仅作为说明本发明具体实施过程的范例，但是实际并不仅限于此，凡是对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和原理，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种铸件裂纹形成预测判据，其特征在于通式描述为：
Figure FDA0004065046140000011
式中，CSI(x，y，z，T(x，y，z))表示铸件中(x、y、z)位置处的裂纹敏感性指数CSI；铸件中某处的该指数值大于1，则该处有可能出现裂纹，且该指数值越大，出现裂纹的可能性越大；x、y、z为铸件中某位置点处的坐标；T(x，y，z)为铸件中(x、y、z)位置处的温度；σ(x，y，z，T(x，y，z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时所受的应力；fs(x，y，z，T(x，y，z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时的固相率大小；Ts为铸件材料的固相线温度；σb(T)为铸件材料在温度T下能够承受的极限应力。
2.一种铸件裂纹形成预测仿真实现方法，其特征在于，具体包含以下步骤：
步骤1，建立铸件的裂纹形成预测判据，铸件裂纹形成预测判据的通式描述为：
Figure FDA0004065046140000012
式中，CSI(x，y，z，T(x，y，z))表示铸件中(x、y、z)位置处的裂纹敏感性指数CSI；铸件中某处的该指数值大于1，则该处有可能出现裂纹，且该指数值越大，出现裂纹的可能性越大；x、y、z为铸件中某位置点处的坐标；T(x，y，z)为铸件中(x、y、z)位置处的温度；σ(x，y，z，T(x，y，z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时所受的应力；fs(x，y，z，T(x，y，z))为铸件中(x、y、z)位置处在温度T时的固相率大小；Ts为铸件材料的固相线温度；σb(T)为铸件材料在温度T下能够承受的极限应力；
步骤2，基于铸件的具体裂纹形成预测判据，采用数值模拟软件实现铸件裂纹形成预测的仿真计算。
3.如权利要求2所述的铸件裂纹形成预测仿真实现方法，其特征在于，对于特定的铸件材料，其具体的铸件裂纹形成预测判据建立过程包含以下子步骤：
子步骤1.1，获取铸件材料的Ts和不同温度下的σb：采用试验测定或材料科学计算软件计算获取铸件材料的固相线温度Ts、铸件材料在固相线温度Ts处的极限强度σb、以及其他不同温度T下极限强度σb；
子步骤1.2，求取铸件材料极限强度σb(T)的函数关系式：根据获取的铸件材料在不同温度T下的极限强度σb，采用公式σb(T)＝aT3+bT2+cT+dT0.5+e将不同温度下的材料极限强度σb描述成温度T的函数σb(T)，其中a、b、c、d和e为拟合待定系数；
子步骤1.3，确定铸件的具体裂纹预测判据：将上述得到的铸件材料固相线温度Ts、极限强度σb与温度T的拟合函数关系式σb(T)代入铸件裂纹形成预测判据通式(1)，得出特定铸件材料下的铸件裂纹形成预测判据。
4.如权利要求2所述的铸件裂纹形成预测仿真实现方法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤：
子步骤2.1，几何建模：根据实际的铸模、铸件结构形状和尺寸大小，采用三维造型软件建立相对应的三维几何模型；
子步骤2.2，网格划分：采用专用有限单元网格划分软件或大型铸造数值模拟软件的网格划分模块对三维几何模型进行网格划分，实现铸模和铸件的离散化；
子步骤2.3，参数施加：根据实际的铸造工艺、铸模及铸件材料参数情况以及铸模、铸件的实际换热和结构约束情况，在铸造数值模拟软件中对离散化的有限单元模型进行铸造工艺参数、热量交换参数、结构约束参数的施加；
子步骤2.4，热-力耦合计算：进行热-力耦合仿真计算，获取铸造数值模拟软件能够直接输出的铸件在任何同一时刻的温度场、应力场以及固相率分布场；
子步骤2.5，裂纹敏感性指数CSI计算：采用铸造数值模拟软件提供的用户自定义结果逻辑运算功能，将仿真计算得出来的铸件在任何同一时刻的温度场、应力场、固相率分布场代入铸件的具体裂纹形成预测判据进行逻辑运算；
子步骤2.6，输出CSI结果：将计算得到的铸件在任何时刻的裂纹敏感性指数CSI分布可视化，输出铸件的裂纹敏感性指数CSI分布图。
5.如权利要求4所述的铸件裂纹形成预测仿真实现方法，其特征在于，子步骤2.3所述的铸造工艺参数包括实际铸造中涉及到的材料参数、热量交换参数和结构约束参数；材料参数包括材料的比热容、导热系数、密度、液相线温度、固相线温度、固相率变化、凝固潜热、热焓、粘度、应力应变曲线、弹性模量、泊松比、热膨胀系数；热量交换参数为对流换热系数、界面传导换热系数、热辐射换热系数、热流量系数；结构约束参数为铸件或铸模在x、y、z方向的位移。
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