CN114595567A - 一种铝合金铸造热裂模拟装置与热裂预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金铸造热裂模拟装置与热裂预测方法，包括用于对铝合金进行模拟铸造的浇铸模具，所述浇铸模具分为前后对称设置的前侧模、后侧模，所述前侧模包括第一半圆粗管，所述第一半圆粗管上侧设置有第一半圆帽管，所述第一半圆粗管两侧对称设置有第一半圆细管，所述后侧模包括第二半圆粗管，所述第二半圆粗管上侧设置有第二半圆帽管，所述第二半圆粗管两侧对称设置有第二半圆细管，所述第一半圆粗管、所述第二半圆粗管前后对应设置。本发明装置易于操作，可观测到多种热裂的产生，相较于前人的热裂预测方法，该热裂预测方法具有预测位置更全面、可进行半定量化预测等优点。

Description

一种铝合金铸造热裂模拟装置与热裂预测方法

技术领域

本发明涉及铸造技术领域，特别是涉及一种铝合金铸造热裂模拟装置与热裂预测方法。

背景技术

铝合金广泛应用在航空航天、汽车制造等领域，铝合金产品通常需要经过熔铸、变形加工、热处理等工序。常见的铸造方法有型模铸造、直接冷却铸造等。在铸造过程中，常会出现各种缺陷，如：热裂、冷裂、翘曲等。其中热裂是最为常见，也是影响最严重的铸件缺陷。为了研究热裂的形成机理并对其进行预测，大量学者构建了热裂预测模型，但大多是针对一维/二维模型，与实际情况仍有一定差距。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种铝合金铸造热裂模拟装置与热裂预测方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种铝合金铸造热裂模拟装置，包括用于对铝合金进行模拟铸造的浇铸模具，所述浇铸模具分为前后对称设置的前侧模、后侧模，所述前侧模包括第一半圆粗管，所述第一半圆粗管上侧设置有第一半圆帽管，所述第一半圆粗管两侧对称设置有第一半圆细管，所述后侧模包括第二半圆粗管，所述第二半圆粗管上侧设置有第二半圆帽管，所述第二半圆粗管两侧对称设置有第二半圆细管，所述第一半圆粗管、所述第二半圆粗管前后对应设置，所述第一半圆细管、所述第二半圆细管前后对应设置，所述第一半圆帽管、所述第二半圆帽管前后对应设置，所述第一半圆粗管、所述第一半圆帽管、所述第一半圆细管一体成型，所述第二半圆粗管、所述第二半圆帽管、所述第二半圆细管一体成型，所述前侧模的后侧面上设置有限位台，所述后侧模的前侧面上与所述限位台对应位置设置有限位槽，所述第一半圆细管、所述第二半圆细管合成的圆管外壁上设置有凹槽，所述凹槽一侧设置有延长细管，所述凹槽、所述延长细管上均设置有螺孔，所述螺孔内设置有螺钉，所述浇铸模具上均布有热电偶布置位点。

进一步设置：所述浇铸模具的所述第一半圆帽管、所述第二半圆粗管下侧设置有底座，一侧的所述第一半圆细管、所述第二半圆细管的内腔设置有固定端头，另一侧的所述第一半圆细管、所述第二半圆细管的内腔设置有测力杆，且该测力杆连接有数据分析软件。

如此设置，便于通过所述固定端头、测力杆在所述浇铸模具内进行位置调整，对铸件的两侧悬臂进行长度的调整，可进行对称的对比验证或非对称的对比实验。

进一步设置：所述前侧模、所述后侧模通过所述限位台、所述限位槽扣合在一起，所述延长细管与所述第一半圆细管、所述第二半圆细管形成的圆细管插接，所述螺钉穿过所述延长细管与所述螺孔连接。

如此设置，便于通过所述延长细管、所述螺钉对所述前侧模、所述后侧模进行紧固连接，保证安全性。

进一步设置：所述固定端头为不锈钢材料。

一种铝合金铸造热裂模拟装置的热裂预测方法，采用有限元模型计算得到铸件的应力分布后，可以将空间某点P的各应变分量表示为如下矩阵形式：

其中，ε_x、ε_y、ε_z表示点P受到的三个方向的正应变，γ_xy等三个分量则表示点P受到剪切应力，N；

在三维空间上某一点的变形量可以分解为沿热梯度方向的变形量和垂直于热梯度方向的变形量；

假设点P处的热梯度方向PN的方向余弦分别为l₁、m₁、n₁，与热梯度方向垂直的任意方向的三个方向余弦分别为l₂、m₂、n₂，写成矩阵的形式如下式所示：

可以得到点P处沿热梯度的应变分量为：

ε_N＝{L₁}^T[ε]{L₂}

同样的方法可以得到点P处垂直热梯度的应变分量为：

在对浇铸过程中热裂的产生进行预测时，将控制容积的质量守恒方程在三维空间进行展开，可以得到如下液相补缩流动方程：

式中：V_sx、V_sy、V_sz表示相对固体形变速率，s^-1；

假定f_s、f_l仅沿着热梯度方向(x方向)发生变化；

其中，

表示凝固收缩率；

表示沿热梯度方向的应变速率，s^-1；

和

表示垂直热梯度方向且互相垂直的两个方向上的应变速率，s^-1；

在x方向对方程积分，可以得到：

达西定律的表达式如下：

根据达西定律，可对方程中f₁V_1x进行替换，并且从x_fl＝flcr到x_fl＝1进行积分，从而得到求解压降的方程：

在这个方程中，假定μ和V_T在整个糊状区都是常量，ΔP_cr表示从f_l＝1.0到凝固补缩的临界液相分数f_lcr之间的压降；

引入一个无量纲温度θ＝(T-T_sol)/ΔT_f，其中，T_sol为固相线温度，ΔT_f表示合金的凝固区间；方程可整理为：

通过计算各温度下铸件的内部压降，进而得到铝合金液停止补缩的临界温度、临界固相分数，之后就可以通过下式计算孔隙分数：

收缩孔隙可以通过下式计算：

变形孔隙可以通过下式计算：

总的变形孔隙即为上述三部分的总和：

f_p,de,sum＝f_p,de,εx+f_p,de,εy+f_p,de,εy。

总孔隙为特定位置收缩孔隙与总变形孔隙之和：

f_p,sum＝f_p,de,sum+f_sh

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)铝合金铸造热裂模拟装置具有对称结构，易于组装和拆卸。

(2)铝合金铸造热裂模拟装置可测量铸件和模具的温度，以及铸件的收缩力，这些功能可以为铸造模型提供精确的过程参数，使得对热裂模型的验证具有更高的可信度。

(3)热裂预测的模型方法采用三维的温度梯度、应力应变信息，对热裂的预测更加准确。

(4)热裂预测的模型方法，不受铸件形状、铸造方式的限制，适用于任意形状铸件的热裂预测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的使用状态下结构示意图；

图2是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的浇铸模具分体结构示意图；

图3是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的浇铸模具的局部分体结构示意图；

图4是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的固定端头的结构示意图；

图5是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的浇铸模具俯视状态下热电偶布置位点的结构示意图；

图6是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的铸件的热裂收缩孔隙的分布规律示意图；

图7是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的铸件的收缩孔隙率的分布规律示意图；

图8是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的铸件的变形孔隙率的分布规律示意图；

图9是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的铸件的应变率引起的孔隙率分布规律示意图；

图10是本发明所述一种铝合金铸造热裂模拟装置的铸件的热裂总孔隙的分布规律示意图。

附图标记说明如下：

1、浇铸模具；11、前侧模；111、第一半圆粗管；112、第一半圆帽管；113、第一半圆细管；114、凹槽；115、螺孔；116、限位台；12、后侧模；121、第二半圆粗管；122、第二半圆帽管；123、第二半圆细管；124、限位槽；13、延长细管；14、固定端头；15、螺钉；2、底座；3、热电偶布置位点。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图10所示，一种铝合金铸造热裂模拟装置，包括用于对铝合金进行模拟铸造的浇铸模具1，浇铸模具1分为前后对称设置的前侧模11、后侧模12，前侧模11包括第一半圆粗管111，第一半圆粗管111上侧设置有第一半圆帽管112，第一半圆粗管111两侧对称设置有第一半圆细管113，后侧模12包括第二半圆粗管121，第二半圆粗管121上侧设置有第二半圆帽管122，第二半圆粗管121两侧对称设置有第二半圆细管123，第一半圆粗管111、第二半圆粗管121前后对应设置，第一半圆细管113、第二半圆细管123前后对应设置，第一半圆帽管112、第二半圆帽管122前后对应设置，第一半圆粗管111、第一半圆帽管112、第一半圆细管113一体成型，第二半圆粗管121、第二半圆帽管122、第二半圆细管123一体成型，前侧模11的后侧面上设置有限位台116，后侧模12的前侧面上与限位台116对应位置设置有限位槽124，第一半圆细管113、第二半圆细管123合成的圆管外壁上设置有凹槽114，凹槽114一侧设置有延长细管13，凹槽114、延长细管13上均设置有螺孔115，螺孔115内设置有螺钉15，浇铸模具1上均布有热电偶布置位点3。

优选的：浇铸模具1的第一半圆帽管112、第二半圆粗管121下侧设置有底座2，一侧的第一半圆细管113、第二半圆细管123的内腔设置有固定端头14，另一侧的第一半圆细管113、第二半圆细管123的内腔设置有测力杆，且该测力杆连接有数据分析软件，便于通过固定端头14、测力杆在浇铸模具1内进行位置调整，对铸件的两侧悬臂进行长度的调整，可进行对称的对比验证或非对称的对比实验；前侧模11、后侧模12通过限位台116、限位槽124扣合在一起，延长细管13与第一半圆细管113、第二半圆细管123形成的圆细管插接，螺钉15穿过延长细管13与螺孔115连接，便于通过延长细管13、螺钉15对前侧模11、后侧模12进行紧固连接，保证安全性；固定端头14为不锈钢材料。

一种铝合金铸造热裂模拟装置的热裂预测方法，采用有限元模型计算得到铸件的应力分布后，可以将空间某点P的各应变分量表示为如下矩阵形式：

其中，ε_x、ε_y、ε_z表示点P受到的三个方向的正应变，γ_xy等三个分量则表示点P受到剪切应力，N；

在三维空间上某一点的变形量可以分解为沿热梯度方向的变形量和垂直于热梯度方向的变形量；

假设点P处的热梯度方向PN的方向余弦分别为l₁、m₁、n₁，与热梯度方向垂直的任意方向的三个方向余弦分别为l₂、m₂、n₂，写成矩阵的形式如下式所示：

可以得到点P处沿热梯度的应变分量为：

ε_N＝{L₁}^T[ε]{L₂}

同样的方法可以得到点P处垂直热梯度的应变分量为：

在对浇铸过程中热裂的产生进行预测时，将控制容积的质量守恒方程在三维空间进行展开，可以得到如下液相补缩流动方程：

式中：V_sx、V_sy、V_sz表示相对固体形变速率，s^-1；

假定f_s、f_l仅沿着热梯度方向(x方向)发生变化；

其中，

表示凝固收缩率；

表示沿热梯度方向的应变速率，s^-1；

和

表示垂直热梯度方向且互相垂直的两个方向上的应变速率，s^-1；

在x方向对方程积分，可以得到：

达西定律的表达式如下：

根据达西定律，可对方程中f₁V_1x进行替换，并且从x_fl＝flcr到x_fl＝1进行积分，从而得到求解压降的方程：

在这个方程中，假定μ和V_T在整个糊状区都是常量，ΔP_cr表示从f_l＝1.0到凝固补缩的临界液相分数f_lcr之间的压降；

引入一个无量纲温度，θ＝(T-T_sol)/ΔT_f，其中，T_sol为固相线温度，ΔT_f表示合金的凝固区间；方程可整理为：

通过计算各温度下铸件的内部压降，进而得到铝合金液停止补缩的临界温度、临界固相分数，之后就可以通过下式计算孔隙分数：

收缩孔隙可以通过下式计算：

变形孔隙可以通过下式计算：

总的变形孔隙即为上述三部分的总和：

f_p,de,sum＝f_p,de,εx+f_p,de,εy+f_p,de,εy。

总孔隙为特定位置收缩孔隙与总变形孔隙之和：

f_p,sum＝f_p,de,sum+f_sh

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种铝合金铸造热裂模拟装置，其特征在于：包括用于对铝合金进行模拟铸造的浇铸模具(1)，所述浇铸模具(1)分为前后对称设置的前侧模(11)、后侧模(12)，所述前侧模(11)包括第一半圆粗管(111)，所述第一半圆粗管(111)上侧设置有第一半圆帽管(112)，所述第一半圆粗管(111)两侧对称设置有第一半圆细管(113)，所述后侧模(12)包括第二半圆粗管(121)，所述第二半圆粗管(121)上侧设置有第二半圆帽管(122)，所述第二半圆粗管(121)两侧对称设置有第二半圆细管(123)，所述第一半圆粗管(111)、所述第二半圆粗管(121)前后对应设置，所述第一半圆细管(113)、所述第二半圆细管(123)前后对应设置，所述第一半圆帽管(112)、所述第二半圆帽管(122)前后对应设置，所述第一半圆粗管(111)、所述第一半圆帽管(112)、所述第一半圆细管(113)一体成型，所述第二半圆粗管(121)、所述第二半圆帽管(122)、所述第二半圆细管(123)一体成型，所述前侧模(11)的后侧面上设置有限位台(116)，所述后侧模(12)的前侧面上与所述限位台(116)对应位置设置有限位槽(124)，所述第一半圆细管(113)、所述第二半圆细管(123)合成的圆管外壁上设置有凹槽(114)，所述凹槽(114)一侧设置有延长细管(13)，所述凹槽(114)、所述延长细管(13)上均设置有螺孔(115)，所述螺孔(115)内设置有螺钉(15)，所述浇铸模具(1)上均布有热电偶布置位点(3)。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金铸造热裂模拟装置，其特征在于：所述浇铸模具(1)的所述第一半圆帽管(112)、所述第二半圆粗管(121)下侧设置有底座(2)，一侧的所述第一半圆细管(113)、所述第二半圆细管(123)的内腔设置有固定端头(14)，另一侧的所述第一半圆细管(113)、所述第二半圆细管(123)的内腔设置有测力杆，且该测力杆连接有数据分析软件。

3.根据权利要求2所述的一种铝合金铸造热裂模拟装置，其特征在于：所述前侧模(11)、所述后侧模(12)通过所述限位台(116)、所述限位槽(124)扣合在一起，所述延长细管(13)与所述第一半圆细管(113)、所述第二半圆细管(123)形成的圆细管插接，所述螺钉(15)穿过所述延长细管(13)与所述螺孔(115)连接。

4.根据权利要求2所述的一种铝合金铸造热裂模拟装置，其特征在于：所述固定端头(14)为不锈钢材料。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金铸造热裂模拟装置的热裂预测方法，其特征在于：

采用有限元模型计算得到铸件的应力分布后，可以将空间某点P的各应变分量表示为如下矩阵形式：

其中，ε_x、ε_y、ε_z表示点P受到的三个方向的正应变，γ_xy等三个分量则表示点P受到剪切应力，N；

在三维空间上某一点的变形量可以分解为沿热梯度方向的变形量和垂直于热梯度方向的变形量；

假设点P处的热梯度方向PN的方向余弦分别为l₁、m₁、n₁，与热梯度方向垂直的任意方向的三个方向余弦分别为l₂、m₂、n₂，写成矩阵的形式如下式所示：

可以得到点P处沿热梯度的应变分量为：

ε_N＝{L₁}^T[ε]{L₂}

同样的方法可以得到点P处垂直热梯度的应变分量为：

在对浇铸过程中热裂的产生进行预测时，将控制容积的质量守恒方程在三维空间进行展开，可以得到如下液相补缩流动方程：

式中：V_sx、V_sy、V_sz表示相对固体形变速率，s^-1；

假定f_s、f_l仅沿着热梯度方向(x方向)发生变化；

其中，

表示凝固收缩率；

表示沿热梯度方向的应变速率，s^-1；

和

表示垂直热梯度方向且互相垂直的两个方向上的应变速率，s^-1；

在x方向对方程积分，可以得到：

达西定律的表达式如下：

根据达西定律，可对方程中f₁V_1x进行替换，并且从x_fl＝flcr到x_fl＝1进行积分，从而得到求解压降的方程：

在这个方程中，假定μ和V_T在整个糊状区都是常量，ΔP_cr表示从f_l＝1.0到凝固补缩的临界液相分数f_lcr之间的压降；

引入一个无量纲温度，θ＝(T-T_sol)/ΔT_f，T_sol为固相线温度，其中，ΔT_f表示合金的凝固区间；方程可整理为：

通过计算各温度下铸件的内部压降，进而得到铝合金液停止补缩的临界温度、临界固相分数，之后就可以通过下式计算孔隙分数：

收缩孔隙可以通过下式计算：

变形孔隙可以通过下式计算：

总的变形孔隙即为上述三部分的总和：

f_p,de,sum＝f_p,de,εx+f_p,de,εy+f_p,de,εy

总孔隙为特定位置收缩孔隙与总变形孔隙之和：

f_p,sum＝f_p,de,sum+f_sh

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