CN116894372B - 一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法及装置，方法包括：根据砂型工艺，确定工艺参数；工艺参数包括浇注时砂型温度的范围；根据砂型工艺，建立砂型的三维模型；获取砂型转运时间和生产环境温度，设定砂型冷冻温度；根据工艺参数、砂型冷冻温度和生产环境温度，基于砂型转运时间，对三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度；判断砂型浇注前的温度是否落入浇注时砂型温度的范围内；若是，砂型冷冻温度满足要求。本发明实施例的技术方案，实现了任意冷冻砂型在任何温度条件下的温度变化预测，解决了砂型温度升温，导致砂型形状及性能发生变化，影响铸件质量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及冷冻砂型铸造技术领域，尤其涉及一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法及装置。
背景技术
冷冻砂型铸造技术是一种用水做砂型铸造用粘结剂，在低温环境下冻结型砂成形砂型，经浇注熔体后获得铸件的铸造技术。冷冻砂型中熔体过冷度高，凝固过程中熔体温度梯度大，金属铸件经细晶强化，组织致密，力学性能好。砂型在高温熔体冲击下，自然溃散，浇注过程中无强烈刺激性气体产生。
冷冻砂型铸造工艺砂型的强度构建是通过水的冷冻实现的，而冷冻砂型在非冷冻环境条件下的铸造过程中自离开冷冻设备后就处于升温过程。对于铸造工艺，需要考虑整个工艺过程的有效衔接，若冷冻砂型冷冻温度较高，在转运以及整体工艺准备过程中，受环境温度的影响升温至较高的温度，会导致出现砂型形性保持性较差，接触高温熔体部位型砂往往“一触即溃”，抗冲击性差，而外表层型砂也常受冻结粘结剂的升华、融化现象影响，进而影响铸件的基础性能和形状尺寸等特征。
发明内容
本发明提供了一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法及装置，以解决冷冻砂型由冷冻仓出库后，温度升温至一定数值，砂型形状及基础性能发生变化，进而影响铸件质量的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其中，包括：
根据砂型工艺，确定工艺参数；所述工艺参数包括浇注时砂型温度的范围；
根据所述砂型工艺，建立砂型的三维模型；
获取砂型转运时间和生产环境温度，设定砂型冷冻温度；
根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度和所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度；
判断所述砂型浇注前的温度是否落入所述浇注时砂型温度的范围内；
若是，所述砂型冷冻温度满足要求。
可选的，在所述判断所述砂型浇注前的温度是否落入所述浇注时砂型温度的范围内之后，还包括：
若否，判断所述砂型浇注前的温度是否小于所述浇注时砂型温度的范围的最小值；
若是，对所述砂型转运时间进行延时处理，计算所述砂型浇注前的温度落入所述浇注时砂型温度的范围时，所需要的等待时间。
可选的，在所述判断所述砂型浇注前的温度是否小于所述浇注时砂型温度的范围的最小值之后，还包括：
若否，降低所述砂型冷冻温度，重复获取所述砂型浇注前的温度，直至所述砂型浇注前的温度小于或等于所述浇注时砂型温度的范围的最大值。
可选的，所述根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度和所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度，包括：
将所述三维模型离散为三维上的多个单元格；
设置所述单元格的热物理性能参数；
将所述砂型冷冻温度设置为多个所述单元格的初始条件；所述生产环境温度设置为多个所述单元格中，与生产环境相接触的所述单元格的边界条件，将所述砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件；
根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解；
在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度。
可选的，所述在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度，包括：
在迭代求解过程中，实时判断预测得到的砂型浇注前的温度是否大于或等于零度；
若是，则停止计算，降低所述砂型冷冻温度，再次对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解，直至所述砂型浇注前的温度小于或等于所述浇注时砂型温度的范围的最大值。
可选的，所述将所述三维模型离散为三维上的多个单元格包括：
利用有限差分方法、有限元分析方法或有限体积分析方法将所述三维模型离散化，形成三维上的单元格。
可选的，所述根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解包括：利用Python、Matlab、Comsol、C、C++、Procast的其中一种，根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解。
可选的，获取所述生产环境温度包括：
根据所述砂型的车间环境历史测温数据，拟合得到生产环境温度曲线。
可选的，所述获取砂型转运时间包括：
确定所述砂型的转运参数，根据所述转运参数选取普通砂型；
通过所述普通砂型模拟演练转运过程，获得砂型转运时间。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置，其中，包括：
砂型参数获取模块，用于获取所述砂型的工艺参数、砂型转运时间和生产环境温度；所述工艺参数包括浇注时砂型温度的范围；
砂型三维模型计算模块，用于建立砂型的三维模型；
砂型冷冻温度确定模块，用于确定砂型冷冻温度；
砂型温度场计算模块，用于根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度、所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度。
本发明实施例的技术方案，模拟冷冻砂型由冷冻仓出库经转运至浇注区域过程中，冷冻砂型温度由砂型冷冻温度升温至砂型浇注前的温度的变化过程，综合考虑熔体温度和生产环境温度，进而预测得到砂型浇注前的温度，进而通过比较预测得到的砂型浇注前的温度与工艺参数所需的浇注时砂型的温度范围，判断所设定的砂型冷冻温度是否满足工艺需求，且通过建立砂型的三维模型，计算砂型的温度场，使得冷冻砂型温度预测方法能够适应特定尺寸、形状以及材料组分的冷冻砂型，本发明实施例的技术方案，实现了任意尺寸、形状、重量及材料组分的砂型在任何温度条件下的快速预测，为工艺人员进行工艺的实施提供了指导作用，相关的预测及优化结果保证了冷冻砂型工艺的稳定性，解决了冷冻砂型由冷冻仓出库后，温度升温至一定数值，砂型形状及基础性能发生变化，进而影响铸件质量的问题。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种冷冻砂型温度场求解方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
冷冻砂型铸造技术是一种用水做砂型铸造用粘结剂，在低温环境下冻结型砂成形砂型，经浇注熔体后获得铸件的铸造技术。冷冻砂型中熔体过冷度高，凝固过程中熔体温度梯度大，金属铸件经细晶强化，组织致密，力学性能好。砂型在高温熔体冲击下，自然溃散，浇注过程中无强烈刺激性气体产生。但单纯的冷冻砂型，在较高温度下的形性保持性较差,接触高温熔体部位型砂往往“一触即溃”，抗冲击性差，外表层型砂也常受冻结粘结剂的升华、融化现象影响，而影响基础性能和形状尺寸特征。
对于铸造工艺，需要考虑整个工艺过程的有效衔接。其中，金属液的浇注需要保持在特定的温度，从出炉到浇注前，实际是一个过程控制温度。 因此，金属液的浇注过程需要在时间流程上进行精细管控。传统铸造工艺砂型的强度是通过树脂、粘土等粘结剂对铸造用砂进行粘结而构建的，其强度控制与水分、粘结剂变性相关，即传统铸造砂型在正常环境温度、湿度下可以保持较长时间，通常为几周。因此，传统铸造过程砂型的制造与流转过程往往不需要过高的时间管控。
然而，冷冻砂型铸造工艺砂型的强度构建是通过水的冷冻实现的，除少数极寒区域，或该区域所处季节具备极寒条件外，冷冻砂型在非冷冻环境条件下的铸造过程中自离开冷冻设备后就处于升温过程。冷冻砂型的冷冻状态和砂型强度，与较多因素相关，如生产环境温度、砂型冷冻温度、砂型转运时间、浇注前的等待时间等。在不同的环境条件下，环境温度对冷冻砂型的保持产生了极大影响。在手工单件生产、小批生产线生产中，需要实现预测功能和虚拟监控。
为解决上述问题，本发明实施例的技术方案提供了一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，图1为本发明实施例提供的一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法的流程图，本实施例可适用于冷冻砂型铸造工艺，该方法在冷冻砂型成型、转运及熔体浇注产线执行，如图1所示，该方法包括：
S100、根据砂型工艺，确定工艺参数；工艺参数包括浇注时砂型温度的范围。
其中，工艺参数还可以包括熔体浇注温度、熔体浇注时间以及熔体转运时间。浇注时砂型温度Ts-pour的范围（Ts-min，Ts-max），Ts-min为范围边界最小值，Ts-max为范围边界最大值，实际数值以及温度差值可以根据实际需求设定，例如根据熔体浇注温度Tm，或浇注环境温度等。熔体浇注温度Tm可以根据熔体材料组分、熔体材料相图、冷冻铸造工艺等进行设定，熔体转运时间tm-move和熔体浇注时间tm-pour可以通过演练或获取历史转运数据进行设定。需要说明的是，在实际执行过程中，浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）、熔体浇注温度Tm、熔体浇注时间tm-pour以及熔体转运时间tm-move，由于在实际工艺过程中，各个环节存在交集，且存在温度差异会发生例如热传导、热对流和热辐射等传热效应，因此设定各个工艺参数时，可以根据砂型工艺综合考虑。
具体而言，根据砂型工艺，确定包括浇注时砂型温度Ts-pour的范围（Ts-min，Ts-max）、熔体浇注温度Tm、熔体浇注时间tm-pour以及熔体转运时间tm-move的工艺参数，进而可以在砂型温度预测方法执行过程中，综合考虑熔体温度、熔体转运以及浇注等实际因素，使得预测结果可靠性更强，且通过根据砂型工艺，获取得到的浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max），可以进一步用于判定预测得到的砂型浇注前的温度Ts-sim是否满足浇注工艺，进而判定出库时冷冻砂型的砂型冷冻温度Ts-initial是否满足工艺需求。
S200、根据砂型工艺，建立砂型的三维模型。
其中，砂型工艺可以包括砂型尺寸和形状，三维模型的建立包括但不限于基于CAD软件建立，在具体实施时，可以根据实际条件选择软件种类。
具体而言，根据砂型工艺，例如铸件尺寸及形状，铸造用冷冻砂型需具备特定尺寸及形状，且可以理解的是，砂型的尺寸及形状不同，其温度变化存在区别，因此根据砂型工艺，建立砂型的三维模型，进而根据砂型的三维模型可以在空间上对砂型的不同区域分别进行温度场求解。
S300、获取砂型转运时间和生产环境温度，设定砂型冷冻温度。
其中，砂型转运时间ts-move可以通过历史数据获得，或通过砂型转运模拟演练获得，在具体实施时，可以通过确定需转运的冷冻砂型的转运参数，例如需转运的冷冻砂型的重量和结构，以及其搬运难易程度、转运工具速度、转运后姿态调整时间等转运参数，选择用于替代冷冻砂型进行模拟演练的普通砂型，进而通过普通砂型模拟转运过程，进行时间测量、记录获得转运时间，避免了使用冷冻砂型进行模拟演练，造成的砂型浪费。生产环境温度可以为生产环境温度曲线，例如根据车间安装的温度测量设备获得的历史温度变化曲线，也通过将车间环境测温与熔炉启用情况、熔体出炉情况以及熔体转运情况相拟合，获得考虑熔体工艺对于环境温度影响的生产环境温度曲线。砂型冷冻温度Ts-initial为冷冻砂型由冷冻仓出库时的温度，具体数值可以根据实际砂型铸造工艺设定，例如根据由砂型工艺确定的浇注时砂型温度Ts-pour的具体数值设定，例如Ts-pour+（-10℃），通常可设置为低于零下25℃的温度值；在具体实施时，根据冷冻砂型出库后开始升温的实际规律，砂型冷冻温度Ts-initial要求低于浇注时砂型温度Ts-pour，进而使得设定的砂型冷冻温度可以满足实际工艺需求；在具体实施时，也可以根据冷冻仓的实际参数以及历史砂型冷冻温度数据设定；需要说明的是，由于在实际铸造工艺中，砂型要通过较长的冷冻时间以获得整体均匀的冷冻温度，则砂型所有部位的温度均相同，若砂型冷冻温度的设定是根据实际冷冻仓成型砂型测温获得，砂型的温度可以通过热电偶测量获得。
具体而言，获取砂型转运时间ts-move和生产环境温度，进而在预测计算过程中，可以综合考虑生产环境温度影响，以及随着砂型转运时间ts-move的累加，砂型的温度变化；设定砂型冷冻温度Ts-initial，进而在预测计算时，可以将该值作为砂型由冷冻仓出库开始的升温过程的初始值，并在预测过程中综合考虑生产环境温度和砂型的三维模型——砂型的实际尺寸和形状，对于砂型升温变化的影响，进而在砂型转运时间ts-move内对时间进行累加，获得砂型转运至浇注区域或浇注车间的温度——砂型浇注前的温度Ts-sim。
S400、根据工艺参数、砂型冷冻温度和生产环境温度，基于砂型转运时间，对三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度。
其中，离散化求解包括但不限于基于有限差分法将砂型的三维模型离散为三维上的单元格，并通过多单元格的温度场方程迭代求解，时间步长要求满足方程求解的收敛，进而预测得到砂型浇注前的温度Ts-sim。
具体而言，对三维模型的温度场方程进行离散化，并根据包括浇注时砂型温度Ts-pour的范围（Ts-min，Ts-max）、熔体浇注温度Tm、熔体浇注时间tm-pour、熔体转运时间tm-move的工艺参数以及生产环境温度等条件，基于砂型转运时间ts-move，对时间步长进行累加，综合考虑熔体铸造工艺以及生产环境温度，对三维模型的温度场方程进行迭代求解，进而预测得到砂型浇注前的温度Ts-sim，在具体实施时，由于砂型各个部位的温度变化存在区别，考虑冷冻砂型铸造工艺要求砂型转运至浇注区域时的温度，要尽量低于浇注时砂型温度Ts-pour，因此，为保证预测结果的可靠性，以及预测结果能够知道技术人员更好的完成铸造工艺流程，可选择预测结果中的最高温度作为砂型浇注前的温度Ts-sim。
S500、判断砂型浇注前的温度是否落入浇注时砂型温度的范围内。
具体而言，浇注时砂型温度Ts-pour在（Ts-min，Ts-max）范围内时，可以保持较好的基础性能和形状尺寸特征，通过判断预测得到的砂型浇注前的温度Ts-sim是否落入浇注时砂型温度的范围内，进而判断所设定的砂型冷冻温度Ts-initial是否满足砂型铸造工艺需求，以该砂型冷冻温度进行砂型的冷冻成型，所获得的冷冻砂型用于浇注熔体，最终所获得的铸件成品性是否满足要求。
S510、若是，砂型冷冻温度满足要求。
具体而言，若砂型浇注前的温度Ts-sim落入浇注时砂型温度Ts-pour的范围（Ts-min，Ts-max）内，则以设定砂型冷冻温度Ts-initial为初始条件进行预测，得到的砂型浇注前的温度Ts-sim满足铸造工艺要，进而可知该设定温度为可实施的砂型冷冻温度，进而根据该砂型冷冻温度可以完成完整的冷冻砂型铸造工艺流程，保证铸件质量。
本发明实施例的技术方案，模拟冷冻砂型由冷冻仓出库经转运至浇注区域过程中，冷冻砂型温度由砂型冷冻温度升温至砂型浇注前的温度的变化过程，综合考虑熔体温度和生产环境温度，进而预测得到砂型浇注前的温度，进而通过比较预测得到的砂型浇注前的温度与工艺参数所需的浇注时砂型的温度范围，判断所设定的砂型冷冻温度是否满足工艺需求，且通过建立砂型的三维模型，计算砂型的温度场，使得冷冻砂型温度预测方法能够适应特定尺寸、形状以及材料组分的冷冻砂型，本发明实施例的技术方案，实现了任意尺寸、形状、重量及材料组分的砂型在任何温度条件下的快速预测，为工艺人员进行工艺的实施提供了指导作用，相关的预测及优化结果保证了冷冻砂型工艺的稳定性，解决了冷冻砂型由冷冻仓出库后，温度升温至一定数值，砂型形状及基础性能发生变化，进而影响铸件质量的问题。
可选的，图2为本发明实施例提供的另一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法的流程图，如图2所示，在步骤S500、判断砂型浇注前的温度是否落入浇注时砂型温度的范围内之后，还包括：
S520、若否，判断砂型浇注前的温度是否小于浇注时砂型温度的范围的最小值。
具体而言，若砂型浇注前的温度Ts-sim未落入浇注时砂型温度Ts-pour的范围（Ts-min，Ts-max）内，根据冷冻砂型由冷冻仓出库即开始升温的变化规律可知，可进一步判断砂型浇注前的温度Ts-sim是否小于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最小值Ts-min，进而判断所设定的砂型冷冻温度Ts-initial是否满足要求。
S521、若是，对砂型转运时间进行延时处理，计算砂型浇注前的温度落入浇注时砂型温度的范围时，所需要的等待时间。
具体而言，若砂型浇注前的温度Ts-sim小于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最小值Ts-min，可知所设定的砂型冷冻温度Ts-initial过低，可对砂型转运时间进行延时处理，即模拟砂型转运至浇注区后的等待过程，通过时间累计，计算砂型浇注前的温度落入浇注时砂型温度的范围时，所需要的等待时间，进而根据所得到的等待时间以及所设定的砂型冷冻温度指导实际砂型铸造工艺。
可选的，继续参考图2，在步骤S520、判断砂型浇注前的温度是否小于浇注时砂型温度的范围的最小值之后，还包括：
S522、若否，降低砂型冷冻温度，重复获取砂型浇注前的温度，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值。
具体而言，若砂型浇注前的温度Ts-sim未落入浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max），且不小于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最小值Ts-min，即若砂型浇注前的温度Ts-sim大于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最大值Ts-max，则可判定，设定的砂型冷冻温度的温度值过高，经模拟实际转运过程后，所获得的砂型浇注前的温度Ts-sim温度过高，不满足冷冻砂型铸造工艺要求，进而可降低砂型冷冻温度，重复获取砂型浇注前的温度，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值，最终根据所设定的砂型冷冻温度及时间参数指导实际工艺流程。
可选的，图3为本发明实施例提供的一种冷冻砂型温度场求解方法的流程图，图3所示方法为图1或图2所示步骤S400可以实施的方案之一，如图3所示该方法包括：
S410、将三维模型离散为三维上的多个单元格。
其中，离散方法包括但不限于有限差分方法、有限元分析方法或有限体积分析方法，也可以采用具备二次开发功能、可设定边界参数的例如专用的铸造仿真软件ProCast进行计算，减少编程的工作量；在具体实施时，可以根据实际需求选择对三维模型进行离散的手段，例如通过C、C++、Matlab、Python等编程软件，通过对砂型温度场方程的程序编制，进而实现离散化迭代求解；或例如多物理场仿真软件Comsol，在具体实施时，可以通过设定物理场类型，导入砂型的三维模型，并设置参数，进而完成计算，且可观察结果，或可使用专用铸造仿真软件Procast，其具有二次开发功能，用户可以自主开发边界条件、初始条件的设置等功能，完成对三维模型进行有限元的离散求解。
具体而言，砂型由冷冻仓出库后转运至浇注区域的过程中，由于砂型具备一定尺寸及形状，砂型各个位置的温度变化存在区别，因此将三维模型离散为三维上的多个单元格，对多个单元格进行温度场方程的迭代求解，解决了砂型各个位置温度变化不一致的问题。
S420、设置单元格的热物理性能参数。
其中，热物理性能参数包括但不限于密度、比热容、热导率，在具体实施时，热物理性能参数可以通过试验测量获得。
具体而言，由于砂型具备一定形状及尺寸，在实际生产过程中，多个单元格所接触的环境不同，例如砂型表层的单元格的外表面直接与环境接触，而内表面与相邻砂型单元格相接处，在相同时间内二者升温幅度存在差异，通过设置单元格的热物理性能参数，可以精确求解多个单元格的温度场方程，进而保证预测结果的可靠性。
S430、将砂型冷冻温度设置为多个单元格的初始条件；将生产环境温度设置为多个单元格中，与生产环境相接触的单元格的边界条件，将砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件。
其中，初始条件和边界条件均为可输入变化参数，且边界条件为动态曲线。
具体而言，冷冻砂型由冷冻仓出库时，由于经过较长时间的冷冻储藏，砂型的多个单元格的温度值相同，因此在模拟计算过程中可以将砂型冷冻温度设置为多个单元格的初始条件，即多个单元格的初始温度均为设定的砂型冷冻温度，在砂型转运过程中，由于砂型所接触的环境温度不同，例如与生产环境相接触的单元格，其与生产环境间存在传热效应，而不与生产环境相接触的单元格，与其发生传热的为相邻砂型单元格，因此，由于已将砂型的三维模型离散为多个单元格，且设置了相关热物理性能参数，可将生产环境温度设置为与生产环境相接触的单元格的边界条件，将砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件，进而模拟砂型由冷冻仓出库转运至浇注区域的生产过程。
S440、根据工艺参数、初始条件和边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解。
具体而言，在具体实施时，可以根据工艺参数、初始条件和边界条件，对离散化的砂型的多个单元格的温度场方程进行迭代求解，其中，时间步长在转运时间内累计，进而模拟砂型在生产过程中的温度变化，可以理解的是，由于多个单元格的升温幅度存在差异，为保证判定结果的可靠性，可选择离散化求解的结果，即多个单元格的预测浇注前的温度中的最高温度作为砂型整体的浇注前的温度预测结果。
S450、在迭代求解过程中，时间步长累加至砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度。
其中，时间步长的数值可以根据单元格的尺寸进行收敛性求解，进而在所求解值范围内根据需求设定，例如根据实时预测温度的输出结果，例如若时间步长累计一次的结果小于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最小值Ts-min，再次累计一次时间步长的结果大于砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最大值Ts-max，可减小时间步长的实际数值，重新开始计算。
具体而言，在离散化求解过程中，时间步长累加至砂型转运时间，进而模拟砂型由冷冻仓出库，经转运工序至浇注区域的实际生产过程，进而预测砂型浇注前的温度。
可选的，图3所示步骤S450，包括：
在迭代求解过程中，实时判断预测得到的砂型浇注前的温度是否大于或等于零度。
其中，实时判断可以通过采集对于多个单元格的温度场方程的迭代求解的实时输出结果实现。
具体而言，由于冷冻砂型在整个过程中的温度均保持在零下，因此若实时输出结果，即在时间累计过程中砂型浇注前的温度大于或等于零度，则可知设定的砂型冷冻温度的初始条件，无法满足实际工艺需求，因此可通过实时采集输出结果，简化计算流程。
若是，则停止计算，降低砂型冷冻温度，再次对离散化的多个单元格的温度场进行迭代求解，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值。
具体而言，若在离散化迭代求解过程中，实时输出的砂型浇注前的温度大于或等于零度，则表示该温度下的砂型已经无法应用于铸造工艺，即设定的初始砂型冷冻温度值过高，在转运过程中，无法维持砂型的基础性能以及形状，因此降低砂型冷冻温度，再次对单元格进行离散化求解，直至所设定的砂型冷冻温度满足工艺需求，即预测得到的砂型浇注前的温度Ts-sim小于等于浇注时砂型温度的范围（Ts-min，Ts-max）的最大值Ts-max时，采集所设定的砂型冷冻温度以及时间参数，制定砂型铸造工艺指导方案，进而指导实际生产。
可选的，由于冷冻砂型在整个过程中的温度均需保持在零下，因此该过程的水并未发生相变，即计算过程也可以忽略相变过程，对计算进行简化。
基于同一种构思，本发明实施例的技术方案还提供一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置，本发明实施例所提供的基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置，可执行本发明任意实施例所提供的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
图4为本发明实施例提供的一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置的结构示意图，如图4所示，该装置包括：
砂型参数获取模块10，用于获取砂型的工艺参数、砂型转运时间和生产环境温度；工艺参数包括浇注时砂型温度的范围。
砂型三维模型计算模块20，用于建立砂型的三维模型。
砂型冷冻温度确定模块30，用于确定砂型冷冻温度。
砂型温度场计算模块40，用于根据工艺参数、砂型冷冻温度、生产环境温度，基于砂型转运时间，对三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度。
在具体实施时，预测得到砂型浇注前的温度后，可进一步判断砂型浇注前的温度是否落入浇注时砂型温度的范围内。若是，则表明所设定的砂型冷冻温度满足要求。若否，则可进一步判断砂型浇注前的温度是否小于浇注时砂型温度的范围的最小值，若是，则表明所设定的冷冻温度过低，可进一步对砂型转运时间进行延时处理，计算砂型浇注前的温度落入浇注时砂型温度的范围时，所需要的等待时间，进而根据所设定的砂型冷冻温度和等待时间制定铸造工艺方案。若否，则表明所设定的砂型冷冻温度过高，可进一步降低砂型冷冻温度，重复获取砂型浇注前的温度，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值，进而根据所设定的温度以及相关时间参数制定铸造工艺指导方案。
可选的，砂型温度场计算模块40，还用于将三维模型离散为三维上的多个单元格；设置单元格的热物理性能参数；将所述砂型冷冻温度设置为多个所述单元格的初始条件；将所述生产环境温度设置为多个所述单元格中，与生产环境相接触的所述单元格的边界条件，将所述砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件；在迭代求解过程中，时间步长累加至砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度。
在具体实施时，可在离散化求解的过程中，实时判断预测得到的砂型浇注前的温度是否大于或等于零度；若是，则停止计算，降低砂型冷冻温度，再次对离散化的单元格的温度场进行迭代求解，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，包括：
根据砂型工艺，确定工艺参数；所述工艺参数包括浇注时砂型温度的范围；
根据所述砂型工艺，建立砂型的三维模型；
获取砂型转运时间和生产环境温度，设定砂型冷冻温度；
根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度和所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度；
判断所述砂型浇注前的温度是否落入所述浇注时砂型温度的范围内；
若是，所述砂型冷冻温度满足要求；
其中，所述根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度和所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度，包括：
将所述三维模型离散为三维上的多个单元格；
设置所述单元格的热物理性能参数；
将所述砂型冷冻温度设置为多个所述单元格的初始条件；将所述生产环境温度设置为多个所述单元格中，与生产环境相接触的所述单元格的边界条件，将所述砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件；
根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解；
在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度；
其中，所述在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度，包括：
在迭代求解过程中，实时判断预测得到的砂型浇注前的温度是否大于或等于零度；
若是，则停止计算，降低所述砂型冷冻温度，再次对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值。
2.根据权利要求1所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，在所述判断所述砂型浇注前的温度是否落入所述浇注时砂型温度的范围内之后，还包括：
若否，判断所述砂型浇注前的温度是否小于所述浇注时砂型温度的范围的最小值；
若是，对所述砂型转运时间进行延时处理，计算所述砂型浇注前的温度落入所述浇注时砂型温度的范围时，所需要的等待时间。
3.根据权利要求2所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，在所述判断所述砂型浇注前的温度是否小于所述浇注时砂型温度的范围的最小值之后，还包括：
若否，降低所述砂型冷冻温度，重复获取所述砂型浇注前的温度，直至所述砂型浇注前的温度小于或等于所述浇注时砂型温度的范围的最大值。
4.根据权利要求1所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，所述将所述三维模型离散为三维上的多个单元格包括：
利用有限差分方法、有限元分析方法或有限体积分析方法将所述三维模型离散化，形成三维上的单元格。
5.根据权利要求1所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，所述根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解包括：利用Python、Matlab、Comsol、C、C++、Procast的其中一种，根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解。
6.根据权利要求1所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，获取所述生产环境温度包括：
根据所述砂型的车间环境历史测温数据，拟合得到生产环境温度曲线。
7.根据权利要求1所述的基于变温环境的冷冻砂型温度预测方法，其特征在于，所述获取砂型转运时间包括：
确定所述砂型的转运参数，根据所述转运参数选取普通砂型；
通过所述普通砂型模拟演练转运过程，获得砂型转运时间。
8.一种基于变温环境的冷冻砂型温度预测装置，其特征在于，包括：
砂型参数获取模块，用于获取所述砂型的工艺参数、砂型转运时间和生产环境温度；所述工艺参数包括浇注时砂型温度的范围；
砂型三维模型计算模块，用于建立砂型的三维模型；
砂型冷冻温度确定模块，用于确定砂型冷冻温度；
砂型温度场计算模块，用于根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度、所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度；
其中，所述根据所述工艺参数、所述砂型冷冻温度和所述生产环境温度，基于所述砂型转运时间，对所述三维模型的温度场方程进行离散化求解，预测砂型浇注前的温度，包括：
将所述三维模型离散为三维上的多个单元格；
设置所述单元格的热物理性能参数；
将所述砂型冷冻温度设置为多个所述单元格的初始条件；将所述生产环境温度设置为多个所述单元格中，与生产环境相接触的所述单元格的边界条件，将所述砂型冷冻温度设置为其余单元格的边界条件；
根据所述工艺参数、所述初始条件和所述边界条件，对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解；
在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度；
其中，所述在迭代求解过程中，时间步长累加至所述砂型转运时间，进而预测砂型浇注前的温度，包括：
在迭代求解过程中，实时判断预测得到的砂型浇注前的温度是否大于或等于零度；
若是，则停止计算，降低所述砂型冷冻温度，再次对离散化的多个所述单元格的温度场方程进行迭代求解，直至砂型浇注前的温度小于或等于浇注时砂型温度的范围的最大值。
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