CN110941916A - 基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法，包括：S1：STL数据模型准备，并导入铸件仿真软件，进行网格剖分；S2：设置材料物性参数和边界条件，并进行模拟计算得到后处理结果；S3：针对所要分析的某局部位置，通过凝固动画分析此局部位置是否存在孤立液相区；S4：通过凝固时间动画得到此局部位置凝固时间t；S5：调取液相分数随时间变化结果，分析此局部位置在时间t之后直至达到0%液相分数这段时间内，该局部位置周围是否存在相对于该局部位置更低的液相分数将该位置团团包围的情况，若存在，则表示该位置有产生显微缩孔风险；反之，则无风险。本发明能够预测在铸件凝固后期形成的显微缩孔。
Description
技术领域
本发明属于铸造及铸造仿真技术领域，具体涉及一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法。
背景技术
针对铝合金这样宽凝固温度范围的铸件，行业内的共识是通过结构变更或工艺优化实现顺序凝固，达到生产少缺陷、无缺陷铸件的目的。宽凝固温度范围的合金，当温度低于液相线时会产生发达的树枝晶，形成大范围的液相和固相共存区域，凝固初期液体能在两相区的枝晶之间流动；但随着凝固的继续进行，树枝晶进一步生长、搭接，补缩通道堵塞，液相在树枝晶之间的流动将极为困难，凝固最后的收缩往往得不到液相补充，形成缩孔类铸造缺陷。这一丧失补缩能力时的固相分数一般称为临界固相分数(CFS：CriticalFraction Solid)，与材料成分和凝固时外界压力有关，实际铝合金铸件CFS值为一区间范围而非特定数值。
目前，国际主流的铸造仿真软件，如德国MAGMA、美国PROCAST、EKK、Flow-3D、瑞典NOVACAST等，都是通过确定某一CFS值(通常30%)得到凝固过程动画并分析孤立液相区域，用以评判铸件热节或可能产生缩孔缺陷的区域。即认为，只要局部凝固过程固相分数超过某一特定CFS即丧失补缩能力。这样的处理方式可以预测大部分的铸件凝固缩孔类缺陷，但是对于铸件内可能出现的显微缩孔却忽视了。这是因为，局部区域超过某一特定CFS后，其尚存部分液相，仍然存在凝固收缩的需求。由于现实中铸件的复杂性和工艺的多样性，有可能出现这样的情形：在CFS以前，凝固顺序正常无孤立液相区；然而在CFS以后，由于外界因素的干扰，凝固顺序不正常而出现孤立液相区。因为这样的孤立液相区发生在CFS以后，液相分数较少，实际铸件形成的缺陷为显微缩孔。
因此，有必要开发一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法，能预测在铸件凝固后期形成的显微缩孔。
本发明所述的一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法，包括以下步骤：
S1：STL数据模型准备，包括用于实现完整铸造模拟仿真分析所需的所有STL格式文件，并导入铸件仿真软件，进行网格剖分；
S2：设置材料物性参数和边界条件，并进行模拟计算得到后处理结果；
S3：针对所要分析的某局部位置，通过凝固动画分析此局部位置是否存在孤立液相区，若有，则流程结束；若无，则进入步骤S4；
S4：通过凝固时间动画得到此局部位置凝固时间t，其中，凝固时间是指此局部位置达到CFS时的时间；
S5：调取液相分数随时间变化结果，分析此局部位置在时间t之后直至达到0%液相分数这段时间内，该局部位置周围是否存在相对于该局部位置更低的液相分数将该位置团团包围的情况，若存在，则表示该位置有产生显微缩孔风险；反之，则无风险。
本发明具有以下优点：
（1）避免了目前主流铸造仿真软件利用临界固相分数CFS分析铸造缩孔类缺陷时“一刀切”的弊端，即只考虑CFS前是否顺序凝固，而忽视了CFS之后的凝固收缩情况；
（2）本方法能够准确分析到实际生产铸件中出现的显微缩孔缺陷；
（3）能够实现有针对性的产品结构或工艺优化，并借助本方法验证方案的可行性，避免了重复修模、试模带来的成本及时间浪费。
附图说明
图1为案例铸件A位置原始结构断面工业CT扫描图；
图2为基于软件模拟的铸件A位置凝固顺序动画示意图；
图3为基于软件模拟的铸件A位置原始结构在CFS之后某时刻液相分数示意图；
图4为基于软件模拟的铸件A位置优化结构在CFS之后某时刻液相分数示意图；
图5为案例铸件A位置优化结构断面工业CT扫描图；
图6为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图6所示，一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法，包括以下步骤：
S1：STL数据模型准备，包括用于实现完整铸造模拟仿真分析所需的所有STL格式文件，并导入铸件仿真软件，进行网格剖分。
S2：设置材料物性参数和边界条件，并进行模拟计算得到后处理结果。
S3：针对所要分析的某局部位置，通过凝固动画分析此局部位置是否存在孤立液相区，若有，则流程结束；若无，则进入步骤S4。
S4：通过凝固时间动画得到此局部位置凝固时间t，其中，凝固时间是指此局部位置达到CFS时的时间。
S5：调取液相分数随时间变化结果，分析此局部位置在时间t之后直至达到0%液相分数这段时间内，该局部位置周围是否存在相对于该局部位置更低的液相分数将该位置团团包围的情况，若存在，则表示该位置有产生显微缩孔风险；反之，则无风险。
本实施例中，所述铸件仿真软件采用MAGMA软件。
以下以某汽车用低压铸造发动机缸盖铸件为例，其曾在中间主油道挺柱孔位置（以下简称A位置）出现显微缩孔缺陷，导致产品泄漏检测不合格。参见图1， A位置的原始结构断面工业CT扫描图。现利用本实施例中所述的基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法对A位置是否存在有显微缩孔进行预测，具体步骤如下：
S1：STL数据模型准备，包括用于实现完整铸造模拟仿真分析所需的所有STL格式文件（如铸件、浇注系统、模具、砂芯、冷却管路等），并导入铸件仿真软件，进行网格剖分。
S2：按现场实际设置材料物性参数和边界条件，并进行模拟计算得到后处理结果。
S3：针对所要分析的中间主油道挺柱孔位置（即A位置），通过凝固动画分析，凝固顺序良好，无孤立液相区；参见图2，凝固顺序为①→②→③→④。通常铸造仿真软件将铸件凝固到达CFS时透明化，从而获得铸件的动态凝固过程动画。
S4：通过凝固时间动画得到A位置凝固时间t，t=48s。
S5：调取液相分数随时间变化结果，分析A位置在48s时间之后直至达到0%液相分数这段时间内，发现在108s时刻，在A位置周围的确存在相对于A位置更低的液相分数将A位置团团包围的情况，显示凝固过程异常，因此该A位置有产生显微缩孔风险（参见图3），与工业CT机断层扫描结果（参见图1）对比，铸件的实际缺陷在位置、形态都与仿真预测结果极为符合。
借助于本实施例所述的方法分析，工艺人员进行了产品结构优化，并利用本方法再次模拟仿真验证，如图4所示，基于软件模拟的铸件A位置优化结构在CFS之后某时刻液相分数，已经不存在相对于A位置更低的低液相分数将A位置团团包围的情况，后期凝固顺序正常，不会有产生显微缩孔的风险。现场实际修模并浇注产品验证，工业CT机再次断层扫描检测，此A位置已不存在显微缩孔，参见图5。
图3和图4中的“Fraction liquid”表示“液相比”。“Empty”表示“空”,即没有结果值的意思。
本实施例中，铸件仿真软件亦可采用PROCAST，或EKK，或Flow-3D，或NOVACAST等。
Claims (1)
1.一种基于铸件仿真软件预测铝合金铸件显微缩孔的方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1：STL数据模型准备，包括用于实现完整铸造模拟仿真分析所需的所有STL格式文件，并导入铸件仿真软件，进行网格剖分；
S2：设置材料物性参数和边界条件，并进行模拟计算得到后处理结果；
S3：针对所要分析的某局部位置，通过凝固动画分析此局部位置是否存在孤立液相区，若有，则流程结束；若无，则进入步骤S4；
S4：通过凝固时间动画得到此局部位置凝固时间t，其中，凝固时间是指此局部位置达到CFS时的时间；
S5：调取液相分数随时间变化结果，分析此局部位置在时间t之后直至达到0%液相分数这段时间内，该局部位置周围是否存在相对于该局部位置更低的液相分数将该位置团团包围的情况，若存在，则表示该位置有产生显微缩孔风险；反之，则无风险。
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