CN114818406A - 一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法 - Google Patents

一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法 Download PDF

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张文祥
李皓天
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Abstract

本发明提供了一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，解决了目前尚缺少有效的考虑金属铸造零部件力学性能不均匀性的力学仿真方法的难题，本发明是一种基于铸件模流分析软件确定铸件各部位冷却速率，通过建立与熔体冷却速率相关的材料力学本构模型，在此基础上利用有限元力学分析软件实现考虑金属铸造零部件力学性能不均匀性的力学仿真方法。

Description

一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿 真方法
技术领域
本发明属于金属材料铸件力学性能仿真及结构设计技术领域，具体涉及一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨平台联合力学仿真方法。
背景技术
铸造是一种应用极为广泛的金属零部件成形技术。金属铸件结构复杂，各部位壁厚不均匀现象普遍存在。金属液在铸造型腔中凝固的过程中，壁厚不均匀部位的冷却速率也会存在差异，而冷却速率的不均匀会导致各部位微观组织及力学性能存在差异。因此，铸件，尤其是复杂铸件，各部位力学性能的不均匀特征普遍存在。
当前，金属铸件力学仿真及结构设计方法大多假设零部件各部位力学性能相同，采用单一材料力学本构模型。这种处理必然导致受力仿真及结构设计可靠性差、精度低、零部件结构冗余大、轻量化效果差。因此，如何通过考虑铸件因壁厚差异所导致的力学性能不均匀性，获得铸件位置相关的力学本构模型，实现考虑铸件力学性能不均匀分布的力学仿真，对金属铸件的受力仿真及结构设计有重要意义。
因此，可考虑将铸造模拟软件的模型信息和力学信息导入力学仿真软件进行仿真，由此可得到模型中需要结构优化的位置。例如：公告日为2009年4月29日、公告号为CN101419644A的中国专利文件公开了一种考虑残余应力的车轮外加载荷的应力数值分析方法，其中利用Procast的应力计算模块计算出整体式铸造铝合金汽车车轮的铸造残余应力，然后编写程序，将车轮铸件的有限元网格的节点信息、单元信息以及残余应力数据导入Ansys软件中，对车轮施加载荷，进行考虑残余应力的整体式铸造铝合金车轮的应力数值分析。该专利是在车轮原本的力学性能上加入残余应力，但并没有考虑车轮原本的力学性能不均匀，因此，其分析结果仍存在一定误差。
发明内容
本发明针对目前尚缺少有效的考虑金属铸造零部件力学性能不均匀性的力学仿真方法的难题，提供了一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法。
本发明的构思为：
首先，通过标准浇铸实验、力学性能测试及材料力学本构建模方法获得铸造合金材料与冷却速率相关的力学本构模型；然后，通过模流分析软件(EASYCAST、ProCAST等)模拟充型过程中铸件不同位置的冷却速率，将包含铸件位置坐标信息及冷却速率的原始文件导出；进一步，通过编程，基于所获得的冷速相关的力学本构模型，计算得到铸件不同位置对应的材料力学本构方程；最后，针对商用有限元软件(如：ABAQUS等)的数据格式，通过Matlab编程，将铸件位置坐标与材料力学本构方程转换为软件可读取的格式，获得耦合不均匀力学本构方程的铸件有限元模型，通过有限元软件开展力学仿真。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、获得不同冷却速率热处理态/铸态样品的应力-应变曲线
S1.1通过设计不同壁厚的浇铸模具，使其冷速分布在0～120K/s之间，获得7组以上不同冷却速率的样品，本领域技术人员可视具体情况进行/不进行后续热处理，对所制备出的热处理态/铸态样品进行标准力学性能测试，获得不同冷却速率热处理态/铸态样品的应力-应变曲线；
S1.2利用某一冷却速率下样品的应力-应变曲线
Figure BDA0003532251520000031
拟合得到该冷却速率下的K1、K2的具体数值(通过Origin软件拟合得到的)；
其中，σ是应力，K1是应变硬化系数，K2是动态回复系数，ε是应变，σ0.002是应变达到0.002的屈服强度，通过实验获得；
建立K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系；
S1.3利用K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系，通过数据拟合获得K1、K2、σ0.002与冷却速率间的定量关系；将该定量关系代入公式(1)中，即可获得所测材料与冷却速率相关的力学本构方程；
具体就是在Origin软件里面建立新的函数进行拟合；K1，K2与σ0.002都与冷速相关的，这三个参量都可用它们与冷速的定量关系代替。
S2、在模流分析软件里获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系：
通过模流分析软件，分析不同铸造工艺条件(不同的铸造工艺即重力铸造、低压铸造等铸造条件的不同)下，熔体充满铸件型腔后，铸件不同位置的温度场变化，选择铸件凝固发生前熔体的冷却速率作为各位置的冷却速率，获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系；
S3、利用S2得到的铸件位置坐标与冷却速率的对应关系求解铸件各位置坐标点的材料力学本构方程，并根据力学仿真软件所需要的数据格式通过编程将本构方程赋值到具体坐标位置，编制仿真软件的输入文件；
S4、采用有限元分析软件打开S3所编制的输入文件，获得耦合不均匀力学本构方程的铸件有限元模型，通过设定受力条件即可实现考虑力学性能不均匀性的金属铸件的力学仿真及结构优化设计。
进一步地，S2中，所述模流分析软件为EASYCAST、ProCAST。
进一步地，S3中，数据格式为ABAQUS的.inp文件。
进一步地，S4中，有限元分析软件为ABAQUS。
本发明的优点是：
1.本发明是一种基于铸件模流分析软件确定铸件各部位冷却速率，通过建立与熔体冷却速率相关的材料力学本构模型，在此基础上利用有限元力学分析软件实现考虑金属铸造零部件力学性能不均匀性的力学仿真方法。
2.尽管铸件因壁厚差异，凝固过程中各部位冷速不同，进而导致微观组织及力学性能存在差异，是几乎所有金属铸件中普遍存在的现象。但由于尚缺少有效且可靠的力学仿真方法，当前金属铸件的仿真不得不采用单一材料本构，假设铸件各部位的力学性能处处相同。因此，本发明提出的方法通过铸件充型工艺及有限元受力的跨平台联合仿真，可根据铸件不同位置凝固过程中熔体冷却速率确定材料本构方程，通过编程使应力应变的间隔变小，间隔越小，铸件力学仿真的精度越高，更为准确的预测铸件受载荷条件下的力学响应，也可以更为准确的开展铸件的结构优化。
附图说明
图1为本发明一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法的实施流程图。
图2为实施例1利用ProCAST铸造仿真软件进行充型模拟获得的A356铝合金铸件在典型金属型铸造条件下熔体冷却速率在铸件三维空间中的分布云图。
图3为实施例1实验测量A356铸造铝合金T6热处理状态下的拉伸应力-应变曲线。
图4为实施例1A356铝合金力学本构参数与熔体冷却速率的对应关系及通过数据拟合获得的参数数值。
图5为实施例1耦合不均匀力学本构方程的的铸件有限元模型。
图6为实施例1利用ABAQUS有限元仿真软件模拟特定载荷条件下铸件的应力分布云图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、获得不同冷却速率热处理态/铸态样品的应力-应变曲线
S1.1通过设计不同壁厚的浇铸模具，使其冷速分布在0～120K/s之间，获得7组以上不同冷却速率的样品，本领域技术人员可视具体情况进行/不进行后续热处理，对所制备出的热处理态/铸态样品进行标准力学性能测试，获得不同冷却速率热处理态/铸态样品的应力-应变曲线；
S1.2利用某一冷却速率下样品的应力-应变曲线
Figure BDA0003532251520000051
拟合得到该冷却速率下的K1、K2的具体数值(通过Origin软件拟合得到的)；
其中，σ是应力，K1是应变硬化系数，K2是动态回复系数，ε是应变，σ0.002是应变达到0.002的屈服强度，通过实验获得；
建立K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系；
S1.3利用K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系，通过数据拟合获得K1、K2、σ0.002与冷却速率间的定量关系；将该定量关系代入公式(1)中，即可获得所测材料与冷却速率相关的力学本构方程；
具体就是在Origin软件里面建立新的函数进行拟合；K1，K2与σ0.002都是与冷速相关的，这三个参量都可以用它们与冷速的定量关系代替。
S2、在模流分析软件里获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系：
通过模流分析软件(EASYCAST、ProCAST)，分析不同铸造工艺条件(不同的铸造工艺即重力铸造、低压铸造等铸造条件的不同)下，熔体充满铸件型腔后，铸件不同位置的温度场变化，选择铸件凝固发生前熔体的冷却速率作为各位置的冷却速率，获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系；
S3、利用S2得到的铸件位置坐标与冷却速率的对应关系求解铸件各位置坐标点的材料力学本构方程，并根据力学仿真软件所需要的数据格式(ABAQUS的.inp文件)通过编程将本构方程赋值到具体坐标位置，编制仿真软件的输入文件；
S4、采用有限元分析软件(ABAQUS)打开S3所编制的输入文件，获得耦合不均匀力学本构方程的铸件有限元模型，通过设定受力条件即可实现考虑力学性能不均匀性的金属铸件的力学仿真及结构优化设计。
以下为具体实施例：
通过ProCAST铸造仿真软件获得模型与冷速信息，再导入ABAQUS里对某典型A356铸件进行力学仿真，具体步骤包括：
步骤1、在ProCAST获得网格文件。铸造模拟完成后，在Viewer版块打开g.unf文件，然后在左上角点击Mesh，在File下拉菜单中点击Export，输出g.inp文件。
步骤2、在ProCAST获得冷速文件，冷速在铸件三维分布如图2所示。在ProCAST的Viewer版块，在Results的下拉菜单点击Metallurgical Tools，选择R,G,L，根据nyiamacriterion计算准则，A填1，B填0，C填1，D填-0.5，L upper temperature填615(Tliquidus+2)，L lower temperature填548(Tsolidus)，R,G temperature填554.5(Tsolidus+0.1*(Tliquidus-Tsolidus))，然后计算得到ProCAST的铸造模拟冷速分布，在selection菜单栏里选择node，框选住模型(只选择铸件)，在File下拉菜单中点击Export As，然后选择PATRAN,I-DEAS,STL,G3D…这一项，输出带有节点编号的冷速文件.ntl。
步骤3、打开冷速文件.ntl，删掉前四行，获得只有节点编号和冷速两列信息的冷速文件lengsu.txt。
步骤4、获取g.inp文件里的单元信息。通过Matlab编程获得包含单元编号和对应节点编号的文件element.txt。
步骤5、获取g.inp文件里的节点信息。通过Matlab编程获得包含节点编号以及其坐标的文件node.txt。
步骤6、获得可导入ABAQUS的pro01.inp文件。通过Matlab编程，结合lengsu.txt、element.txt、node.txt，将每一个element设置为一个set，再将每一个set设置为一个section。每一个section所对应的material为每一个element的冷速代入力学本构模型所获得的属性。力学本构模型的获得是根据图3所示的应力-应变曲线得到每个冷速下的力学本构方程，数据拟合得到如图4所示的K1、K2、YS(为σ0.002)与冷速的定量关系式，将其代入公式(1)得到公式(2)，为A356铝合金T6处理后的力学本构模型。最终整合为可以导入ABAQUS的pro01.inp文件，将此文件导入ABAQUS并对其施加轮毂四周的压力和中央的约束，如图5所示。ABAQUS里进行计算后应力结果如图6所示。
公式2为实施例1A356铝合金耦合熔体冷却速率的材料本构方程。
Figure BDA0003532251520000071
其中，σ是应力，
Figure BDA0003532251520000072
是冷速，ε是应变。
综上，利用本发明所提出的一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，可获得基于冷速的不均匀力学性能的铸件模型，用于调整铸件的模型以及浇铸条件。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获得所测材料与冷却速率相关的力学本构方程：
S1.1通过设计不同壁厚的浇铸模具，使其冷速分布在0～120K/s之间，获得7组以上不同冷却速率的样品，视具体情况进行/不进行后续热处理，对所制备出的热处理态/铸态样品进行标准力学性能测试，获得不同冷却速率热处理态/铸态样品的应力-应变曲线；
S1.2利用某一冷却速率下样品的应力-应变曲线
Figure FDA0003532251510000011
拟合得到该冷却速率下的K1、K2的具体数值；
其中，σ是应力，K1是应变硬化系数，K2是动态回复系数，ε是应变，σ0.002是应变达到0.002的屈服强度，通过实验获得；
建立K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系；
S1.3利用K1、K2、σ0.002与冷却速率的对应关系，通过数据拟合获得K1、K2、σ0.002与冷却速率间的定量关系；将该定量关系代入公式(1)中，即可获得所测材料与冷却速率相关的力学本构方程；
S2、在模流分析软件里获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系：
通过模流分析软件，分析不同铸造工艺条件下，熔体充满铸件型腔后，铸件不同位置的温度场变化，选择铸件凝固发生前熔体的冷却速率作为各位置的冷却速率，获得铸件位置坐标与冷却速率的对应关系；
S3、利用S2得到的铸件位置坐标与冷却速率的对应关系求解铸件各位置坐标点的材料力学本构方程，并根据力学仿真软件所需要的数据格式通过编程将本构方程赋值到具体坐标位置，编制仿真软件的输入文件；
S4、采用有限元分析软件打开S3所编制的输入文件，获得耦合不均匀力学本构方程的铸件有限元模型，通过设定受力条件即可实现考虑力学性能不均匀性的金属铸件的力学仿真及结构优化设计。
2.根据权利要求1所述考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特征在于：
S2中，所述模流分析软件为EASYCAST、ProCAST。
3.根据权利要求2所述考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特征在于：
S3中，数据格式为ABAQUS的.inp文件。
4.根据权利要求3所述考虑铸件不均匀力学性能分布的跨软件平台联合力学仿真方法，其特征在于：
S4中，所述有限元分析软件为ABAQUS。
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