CN117688799A - 一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，涉及计算机应用技术领域。包括对模型组元进行三维建模；对模型组元进行有限差分网格均匀划分；读取每一个网格单元的中心坐标值以及网格类型；确定铸造工艺参数值；选取其中一个铸件网格作为目标铸件网格，遍历计算所有非铸件网格对目标铸件网格的冷却能力并累加，得到目标铸件网格的散热能力；遍历所有的铸件网格，得到所有铸件网格的散热能力，进而得到所有铸件网格的凝固顺序，判断出铸件热节位置。本发明提高了计算速度，缩短设计时间，快速有效地预测热节，从而缩短产品开发周期，节约成本。

Description

一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，尤其涉及一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法。

背景技术

铸件热节是指铸件在凝固过程中由于不同部位的凝固速度不同而导致的收缩不均匀的现象。热节问题会导致铸件出现缺陷，如裂纹、变形、气孔等，严重影响铸件的质量和性能。

快速预测铸件热节技术的应用领域广泛。在航空航天领域，铸件的质量和性能对飞行器的安全和可靠性至关重要，因此对铸件热节的预测和优化尤为重要。在汽车领域，铸件的质量和性能直接影响汽车的性能和经济性，因此对铸件热节的控制和优化是提高汽车品质的关键。在能源领域，铸件被广泛应用于发电设备、核能设备等，对铸件热节的预测和优化能够提高设备的效率和可靠性。

通过准确预测铸件热节，可以优化铸造工艺参数，减少缺陷的发生，提高铸件的质量和性能。这将有助于提高制造业的竞争力，降低生产成本，推动工业发展。在传统的铸造过程中，热节问题是一个常见的缺陷，对铸件的质量和性能有着重要影响。传统的解决方法主要依靠试错和经验，效率低下且预测结果不准确。随着计算机技术的发展，计算机模拟方法成为预测铸件热节的主要方法，包括数值模拟方法和几何推理方法。

数值模拟方法特点如下：

(1)清晰准确地预测出液态金属充型过程、凝固过程中的温度场和应力场以及宏观缺陷和微观组织等；

(2)对于复杂形状的零件，进行一次的数值模拟可能需要数小时甚至数天；比如有限元分析方法，迭代循环非常耗时，计算成本大，生产效率低。

几何推理法特点如下：

(1)计算速度快(分钟级的，可以在数分钟内完成)，成本低；

(2)缺乏在材料性质和边界条件方面的精度和灵敏度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，提高计算速度，缩短设计时间，快速有效地预测热节，从而缩短产品开发周期，节约成本。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法。

一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，包括以下步骤：

对模型组元进行三维建模，所述模型组元包括铸型、铸件、冷铁、冒口、浇注系统；

对模型组元进行有限差分网格均匀划分；

网格划分后，读取每一个网格单元的中心坐标值以及网格类型，所述网格类型即为模型组元的类型；

确定铸造工艺参数值，包括浇注温度、环境温度、铸型温度、模型组元的材料；

选取其中一个铸件网格作为目标铸件网格，遍历计算所有非铸件网格对目标铸件网格的冷却能力并累加，得到目标铸件网格的散热能力；

遍历所有的铸件网格，得到所有铸件网格的散热能力，进而得到所有铸件网格的凝固顺序，判断出铸件热节位置。

本发明第二方面提供了计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。

本发明第三方面提供了电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明第一方面所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明提出了一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，具有以下特点：

①保留了点模数几何推理方法在节省计算时间方面的优势；

②引入材料热物理性质使分析计算结果更具合理性；

③可以分析计算带有保温冒口、冷铁工艺，使用场景更贴近实际工艺设计；

④为数值模拟提供初始值，减少数值模拟的次数，提高铸造工艺设计效率。

通过预测铸件热节，本发明可以优化铸造工艺，减少热节缺陷的发生，提高铸件的质量和性能；同时，预测铸件热节还可以为铸造材料的设计和选用提供科学依据，促进铸造技术的发展。

本发明附加方面的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

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一方法流程图；

图2(a)为本发明实施例一的立体模型图；

图2(b)为本发明实施例一的正视图；

图2(c)为本发明实施例一的左视图；

图2(d)为本发明实施例一的俯视图；

图3为本发明实施例一的操作流程图；

图4(a)为采用本发明方法得到的模型YOZ中间截面显示结果；

图4(b)为采用本发明方法得到的模型XOZ中间截面显示结果。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1冒口、2铸件、3冷铁。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提出的总体思路：

冷却衰减模型算法的原理是基于数值模拟用的剖分网格数据文件，结合模型组元材质的热物理性质，进行热阻计算，得到铸件网格的单位散热能力，同时考虑非铸件网格与铸件网格之间距离的影响(对于距离远的非铸件网格，其冷却能力会呈现一个衰减的状态)，从而得到非铸件网格对于铸件网格的冷却能力，以此来推演出凝固顺序，非铸件的冷却能力越差，铸件凝固就越慢，反之，凝固就越快。

本发明所提出算法的目的不是提供传统数值软件的替代方案，而开发一种有用的、全面的和简单的技术，提高计算速度，缩短设计时间，快速有效地预测热节，从而缩短产品开发周期，节约成本。

实施例一

如图1所示，为弥补现有技术的不足，本实施例提供了一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法。

一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，该方法的实现步骤如下：

1)利用Creo对铸型、铸件、冷铁、浇注系统进行三维建模；

2)对铸型、铸件等模型组元进行有限差分网格均匀划分；

3)网格划分后，读取每一个网格单元的中心坐标值以及网格类型；

4)确定铸造工艺参数值，输入浇注温度、环境温度以及铸型温度，选择铸件、铸型等模型组元的类型；

5)对于目标铸件网格，遍历计算所有非铸件网格对目标铸件网格的冷却能力并累加，其结果可作为该目标铸件网格的散热能力；

6)根据步骤5)，遍历全部铸件网格，得到所有铸件网格的散热能力，进而得到所有铸件网格的凝固顺序，判断铸件热节位置。

所述步骤5)中，得到目标铸件单元网格的散热能力的步骤如下：

①计算理想接触状态下的铸件/非铸件界面热导率λ_e；

式中：λ为热导率。

②铸件自身热容对铸件的散热呈现抑制效果，称为保温能力，而非铸件热容对铸件的散热呈现促进效果，故称为冷却能力，进而推出非铸件针对铸件的冷却系数K_cool；

式中：ρ是密度，c是比热容。

③计算铸件/非铸件网格热阻R_u以及单位散热能力Φ_uq：

式中：Δx为剖分网格步长，A为散热面积，ΔT为温度差。

④计算非铸件网格的冷却能力＝单位散热能力Φ_uq×衰减函数；此处衰减函数描述散热距离对散热能力的影响。两网格距离越远，非铸件对铸件的冷却能力会减弱，铸件散热越慢，凝固的相对越慢。

所述步骤6)中，判断铸件热节位置的方法：

①根据所设置的凝固顺序的颜色色轴，色轴最上方的颜色对应的铸件单元凝固最慢，成为热节的倾向性越大；

②通过颜色反映在三维网格模型上，凝固越快对应的颜色越深，凝固越慢对应的颜色越浅；

③铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域为热节位置。

为了测试本发明的合理性，对本发明的算法进行了编程，形成了测试软件。该测试软件具体操作流程如图3所示：

1)用户打开软件，点击新建；

2)点击选择文件，弹出文件管理器对话框，选择emdx剖分文件后，点击加载文件，会显示对应的sblx文件，点击开始读取，读取铸件几何模型的网格数据(几何形状、网格属性)；

3)点击确定，可视化显示测试模型；

4)点击模拟计算-确定工艺参数，弹出确定工艺参数对话框，输入浇注温度、铸型温度、环境温度，选择模型组元材质属性，点击确定；

5)点击热阻模型-冷却衰减，开始计算。

计算完成，利用可视化界面显示热节预测结果。用户可以通过可视化界面查看铸件表面和内部的凝固顺序，判断热节的位置和程度。

根据软件的分析结果，用户可以进行铸造工艺的优化。例如改变铸件的几何形状，选择合适的浇冒口系统以及补缩系统等。通过不断优化工艺，用户可以减少热节缺陷的发生，提高铸件的质量和性能。通过使用快速分析预测铸件热节软件，铸造企业可以快速准确地预测铸件的热节情况，为铸造工艺的优化提供科学依据，提高铸件的质量和性能。

图2(a)为优选实施例的铸件三维图，图2(b)、图2(c)、图2(d)为优选实施例的铸件正视图、左视图和俯视图；其中冒口1位于铸件2的上部，冷铁3位于铸件2的下部。

采用本发明的冷却模型方法，可得到如图4所示的计算显示结果，图4(a)是采用本实施例方法得到的模型的YOZ中间截面显示结果，图4(b)是采用本实施例方法得到的模型的XOZ中间截面显示结果，铸件内比周围金属凝固缓慢的节点或局部区域为热节位置。

实施例二

本实施例的目的是提供计算机可读存储介质。

计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供电子设备。

电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。

以上实施例二、三的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

对模型组元进行三维建模，所述模型组元包括铸型、铸件、冷铁、冒口、浇注系统；

对模型组元进行有限差分网格均匀划分；

网格划分后，读取每一个网格单元的中心坐标值以及网格类型，所述网格类型即为模型组元的类型；

确定铸造工艺参数值，包括浇注温度、环境温度、铸型温度、模型组元的材料；

选取其中一个铸件网格作为目标铸件网格，遍历计算所有非铸件网格对目标铸件网格的冷却能力并累加，得到目标铸件网格的散热能力；

遍历所有的铸件网格，得到所有铸件网格的散热能力，进而得到所有铸件网格的凝固顺序，判断出铸件热节位置。

2.如权利要求1所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，每一所述非铸件网格对目标铸件单元网格的散热能力，具体计算过程包括：

计算理想接触状态下的铸件/非铸件界面热导率、非铸件针对铸件的冷却系数；

基于铸件/非铸件界面热导率、非铸件针对铸件的冷却系数，计算铸件/非铸件网格热阻以及单位散热能力；

利用衰减函数描述散热距离对散热能力的影响，基于铸件/非铸件单位散热能力和衰减函数，计算非铸件网格的冷却能力。

3.如权利要求2所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，铸件/非铸件界面热导率的计算公式为：

式中：λ为热导率；λ_e为铸件/非铸件界面热导率。

4.如权利要求3所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，非铸件针对铸件的冷却系数的计算公式为：

式中：ρ是密度；c是比热容；K_cool为非铸件针对铸件的冷却系数。

5.如权利要求4所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，所述铸件/非铸件网格热阻，计算公式为：

式中：Δx为剖分网格步长，A为散热面积。

6.如权利要求5所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，所述单位散热能力，计算公式为：

式中：ΔT为温度差。

7.如权利要求2所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，每一非铸件网格针对目标铸件网格的冷却能力为铸件/非铸件单位散热能力与衰减函数的乘积。

8.如权利要求1所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法，其特征在于，判断铸件热节位置的方法为：

预设一个代表凝固顺序的颜色色轴；

基于颜色色轴，将所有铸件网格的凝固顺序反映在三维网格模型上；

选取对应于颜色色轴上比周围金属凝固较慢的孤立区域即为铸件热节区域。

9.计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。

10.电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8任一项所述的基于冷却衰减模型的铸件热节快速分析方法中的步骤。