CN115178723A - 一种高压铸造过程中模具气压的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高压铸造过程中模具气压的计算方法，包括：步骤S1，导入模型，初始化模具内部压力参数；步骤S2，模具中的气体压力作用到气液界面，计算流态；步骤S3，到达起始计算模具气压百分数；步骤S4，计算统计孤立气体区域的数量、形状信息并记录；步骤S5，根据理想气体方程和上一时步的孤立气体区域信息，计算本时步的每个孤立气体区域的压力大小；步骤S6，输出本时步的孤立气体区域气压信息，分析产品气孔缺陷，然后执行步骤S10；步骤S7，将每个孤立气体区域的气压施加到对应位置的气液界面上；步骤S8，计算流体控制方程，得到金属液流态；步骤S9，判断充型是否结束，如果是则执行步骤S10；否则返回步骤S4；步骤S10，输出结果。
Description
技术领域
本发明涉及工业制造技术领域，特别涉及一种高压铸造过程中模具气压的计算方法。
背景技术
在高压铸造的过程中，压铸机通过冲头将熔融的金属液高速地从料管推入模具中，模具中的气压动态变化过程直接影响金属液的流动状态，进而影响产品的成型过程。由于模具为钢等合金材料，金属液的流动速度高达数十米每秒，因此充型过程模具中压力变化很难直接测量，想要掌握模具中的气压变化，需要使用模流软件进行数值模拟。同时流体计算的复杂性以及模具内部金属液流态的“黑匣子”属性等种种限制，使得充型过程中模具内气压的精确计算难以实施。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种高压铸造过程中模具气压的计算方法，以解决背景技术中所提到的问题，克服现有技术中存在的不足。
为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种高压铸造过程中模具气压的计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，导入模型，初始化模具内部压力参数；
步骤S2，模具中的气体压力作用到气液界面，计算流态；
步骤S3，到达起始计算模具气压百分数；
步骤S4，计算统计孤立气体区域的数量、形状信息并记录；
步骤S5，根据理想气体方程和上一时步的孤立气体区域信息，计算本时步的每个孤立气体区域的压力大小；
步骤S6，输出本时步的孤立气体区域气压信息，分析产品气孔缺陷，然后执行步骤S10；
步骤S7，将每个孤立气体区域的气压施加到对应位置的气液界面上；
步骤S8，计算流体控制方程，得到金属液流态；
步骤S9，判断充型是否结束，如果是则执行步骤S10；否则返回步骤S4；
步骤S10，输出结果。
由上述任一方案优选的是，在所述步骤S3中，模具排气孔和大气环境相连，因此设置初始化模具中气体压力为大气压101000Pa，计算过程所用金属液为铝合金，设置铝合金金属液的粘度和密度信息；捕捉孤立气体区域的频率为每隔10个时间步一次；当金属液充型模具体积达到99.99％时，设定为充型计算结束。
由上述任一方案优选的是，在所述步骤S4中，计算过程中，随着金属液的充型，充型比例达到起始计算模具气压百分数后，开始计算和统计模具中气体的孤立区域。
由上述任一方案优选的是，计算过程通过理想气体方程PV＝nRT和初始模具气压信息计算得到,P初始V初始＝P当前时刻V当前时刻，其中P初始和V初始由初始情况得到并记录，V当前时刻通过对孤立区域统计得到，同时记录本时步的模具气体孤立区域位置和形状信息以便下次迭代使用。
由上述任一方案优选的是，在所述步骤S7中，求解格子玻尔兹曼方程流体控制方程更新流动状态，格子玻尔兹曼方程为：
使用计算得到的模具气压施加到充型过程中的相应的气液界面上。
由上述任一方案优选的是，在所述步骤S8中，计算过程中需要迭代求解模具中形成的气体孤立区域，包括：跟踪已经形成的气体孤立区域，记录变化后的气体孤立区域以及新形成的气体孤立区域。
由上述任一方案优选的是，在所述步骤S10中，每隔设定时间输出二进制计算结果文件至硬盘存储，输出结果包括充型过程中孤立气体区域信息和模具气体压力分布，通过孤立气体区域信息分析产品气孔缺陷，其中当孤立区域体积较大时，产品卷入中的气体较多，形成气孔缺陷较大；对孤立区域的气体压力进行分析，气体压力从小到大表明产生气孔的动态过程；通过模具气压信息分析金属液流态计算准确性。
与现有技术相比，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：通过CAE技术实现压铸过程中模具气压变化的计算模拟。通过使用理想气体方程、格子玻尔兹曼流体计算方法和VOF界面结合的方法，计算模具中气压的变化以及充型过程气孔的形成，使其具有极大的工业应用价值。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的高压铸造过程中模具气压的计算方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的平板充型算例的示意图；
图3a和图3b为根据本发明实施例的金属液充型速度分布和压力分布的示意图；
图4为根据本发明实施例的模具气压施加到气/液界面的示意图；
图5a和图5b为根据本发明实施例的模具气体孤立区域演化过程的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
不同于传统模流分析计算软件的模具气压恒定设定，本发明采用格子玻尔兹曼方法、VOF界面方法和普适气体定律(理想气体状态方程)结合的方法，开发出了一套计算流体力学中普适性的气压计算方法，可以准确计算出高压铸造过程中模具气压的变化情况，从而有效帮助从业人员分析熔融金属液流动状态和产品形成的卷气缺陷。
如图1所示，本发明实施例的高压铸造过程中模具气压的计算方法，包括如下步骤：
步骤S1，导入模型，初始化模具内部压力参数。
步骤S2，模具中的气体压力作用到气液界面，计算流态。
步骤S3，到达起始计算模具气压百分数。
在上述步骤中，将模型文件和模具气压计算算法控制参数导入到求解器计算程序中，设定模具中初始气压，如没有特殊设置，初始气压为大气压。记录初始气体区域形状信息，开始进行金属液充型计算。
具体的，导入配置文件和模型信息，如图2平板充型算例所示，模拟该平板充型过程中模具气压的变化过程。模具排气孔和大气环境相连，因此设置初始化模具中气体压力为大气压101000Pa，计算过程所用金属液为铝合金，设置铝合金金属液的粘度和密度信息。充型入口如图2中黑色虚线方框所示，捕捉孤立气体区域的频率为每隔10个时间步一次。当金属液充型模具体积达到99.99％时，设定为充型计算结束。
如图2所示，从第一步中配置文件得到初始模具气压信息，开始进行充型过程计算。
步骤S4，计算统计孤立气体区域的数量、形状信息并记录。
具体的，计算过程中，随着金属液的充型，充型比例达到起始计算模具气压百分数后，开始计算和统计模具中气体的孤立区域。
达到起始计算模具气压百分数后，每隔指定时间步长后，计算并统计孤立气体区域的位置和形状信息。跟踪并记录孤立气体区域的演化信息，具体包括位置、形状和气压信息。
在本发明的实施例中，计算过程通过理想气体方程PV＝nRT和初始模具气压信息计算得到,P初始V初始＝P当前时刻V当前时刻，其中P初始和V初始由初始情况得到并记录，V当前时刻通过对孤立区域统计得到，同时记录本时步的模具气体孤立区域位置和形状信息以便下次迭代使用。
具体的，计算过程中，随着金属液的充型，充型比例达到起始计算模具气压百分数后，开始计算和统计模具中气体的孤立区域。图3(a)中展示信息为金属液充型速度分布，图3(b)中所示为压力分布，A区域为模具中气体孤立区域的压力值，计算过程通过理想气体方程和第二步中得到的初始模具气压信息计算得到。同时记录本时步的模具气体孤立区域位置和形状信息以便下次迭代使用。
步骤S5，根据理想气体方程和上一时步的孤立气体区域信息，计算本时步的每个孤立气体区域的压力大小。
步骤S6，输出本时步的孤立气体区域气压信息，分析产品气孔缺陷，然后执行步骤S10。
步骤S7，将每个孤立气体区域的气压施加到对应位置的气液界面上。
具体的，求解格子玻尔兹曼方程流体控制方程更新流动状态，格子玻尔兹曼方程为：
使用计算得到的模具气压施加到充型过程中的相应的气液界面上，如图4所示的P。即将计算得到的气压施加到气液界面上，迭代计算流体控制方程。当气体区域减小时，由第三步计算得到的结果可知气压增大，会在一定程度上“阻碍”金属液充型。
步骤S8，计算流体控制方程，得到金属液流态。
具体的，计算过程中需要迭代求解模具中形成的气体孤立区域，包括：跟踪已经形成的气体孤立区域，记录变化后的气体孤立区域以及新形成的气体孤立区域。计算过程中需要迭代求解模具中形成的气体孤立区域，具体为：跟踪第三步中形成的气体孤立区域，记录变化后的气体孤立区域以及新形成的气体孤立区域。实现过程中通过两个数组记录上一个时刻气体孤立区域和本时刻气体孤立区域，演化过程如图5所示，图3(b)动态演化到图5(b)的过程中，模具中气体孤立区域数目和形状信息发生变化，图3(b)中A气体区域的变化到图5(b)中B气体区域，根据理想气体方程可以求出压力的值。记录图5(b)中新形成的C气体区域，该区域气压大小为初始形成时的模具气体压力大小，之后随充型过程迭代计算即可。
步骤S9，判断充型是否结束，如果是则执行步骤S10；否则返回步骤S4；
步骤S10，输出结果。
具体的，重复步骤S4至步骤S9过程直至充型结束，计算过程中，每隔设定时间输出二进制计算结果文件至硬盘存储，输出结果包括充型过程中孤立气体区域信息和模具气体压力分布，通过孤立气体区域信息分析产品气孔缺陷，其中当孤立区域体积较大时，产品卷入中的气体较多，形成气孔缺陷较大；对孤立区域的气体压力进行分析，气体压力从小到大表明产生气孔的动态过程；通过模具气压信息分析金属液流态计算准确性。
与现有技术相比，本发明相对于现有技术具有以下有益效果：通过CAE技术实现压铸过程中模具气压变化的计算模拟。通过使用理想气体方程、格子玻尔兹曼流体计算方法和VOF界面结合的方法，计算模具中气压的变化以及充型过程气孔的形成，使其具有极大的工业应用价值。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本领域技术人员不难理解，本发明包括上述说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，导入模型，初始化模具内部压力参数；
步骤S2，模具中的气体压力作用到气液界面，计算流态；
步骤S3，到达起始计算模具气压百分数；
步骤S4，计算统计孤立气体区域的数量、形状信息并记录；
步骤S5，根据理想气体方程和上一时步的孤立气体区域信息，计算本时步的每个孤立气体区域的压力大小；
步骤S6，输出本时步的孤立气体区域气压信息，分析产品气孔缺陷，然后执行步骤S10；
步骤S7，将每个孤立气体区域的气压施加到对应位置的气液界面上；
步骤S8，计算流体控制方程，得到金属液流态；
步骤S9，判断充型是否结束，如果是则执行步骤S10；否则返回步骤S4；
步骤S10，输出结果。
2.如权利要求1所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，在所述步骤S3中，模具排气孔和大气环境相连，因此设置初始化模具中气体压力为大气压101000Pa，计算过程所用金属液为铝合金，设置铝合金金属液的粘度和密度信息；捕捉孤立气体区域的频率为每隔10个时间步一次；当金属液充型模具体积达到99.99％时，设定为充型计算结束。
3.如权利要求1所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，在所述步骤S4中，计算过程中，随着金属液的充型，充型比例达到起始计算模具气压百分数后，开始计算和统计模具中气体的孤立区域。
4.如权利要求3所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，计算过程通过理想气体方程PV＝nRT和初始模具气压信息计算得到,P初始V初始＝P当前时刻V当前时刻，其中P初始和V初始由初始情况得到并记录，V当前时刻通过对孤立区域统计得到，同时记录本时步的模具气体孤立区域位置和形状信息以便下次迭代使用。
5.如权利要求1所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，在所述步骤S7中，求解格子玻尔兹曼方程流体控制方程更新流动状态，格子玻尔兹曼方程为：
使用计算得到的模具气压施加到充型过程中的相应的气液界面上。
6.如权利要求1所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，在所述步骤S8中，计算过程中需要迭代求解模具中形成的气体孤立区域，包括：跟踪已经形成的气体孤立区域，记录变化后的气体孤立区域以及新形成的气体孤立区域。
7.如权利要求1所述的高压铸造过程中模具气压的计算方法，其特征在于，在所述步骤S10中，每隔设定时间输出二进制计算结果文件至硬盘存储，输出结果包括充型过程中孤立气体区域信息和模具气体压力分布，通过孤立气体区域信息分析产品气孔缺陷，其中当孤立区域体积较大时，产品卷入中的气体较多，形成气孔缺陷较大；对孤立区域的气体压力进行分析，气体压力从小到大表明产生气孔的动态过程；通过模具气压信息分析金属液流态计算准确性。
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