JPH0641015B2 - ３次元凝固解析方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、湾曲した外殻を備えた鋳造品を作成する場合
に適用される３次元凝固解析方法に関し、とくには、上
記鋳造品に係る鋳造方案の形状をモデル化する手法に関
する。

（従来の技術） 鋳造品の作成に当たっては、内部に引け巣が残らないよ
うに押湯や冷金を適切に配置することが必要であり、そ
のため、いわゆる鋳造方案が立てられる。

従来の鋳造方案は、１次元的な凝固速度式や、実験式お
よび経験的固有技術を基本とし、しかも勘にたよる部分
が少なくなかったので、適確さを欠くことが多かった。

そこで近年においては、コンピュータを用いた数値解析
によって凝固現象をシュミレーションし、これによって
鋳造時の凝固過程を解析して引け巣欠陥の推定を行うと
いう試みがなされている。・ 上記シュミレーションは凝固解析と呼ばれており、この
シュミレーションによって健全な品質が保証された上で
実際に模型が作成される。

以下に、この凝固解析の手順を示す。

（ａ）鋳造方案の形状をモデル化する。

（ｂ）上記モデル化によって得られるモデルを微小要素
に分割する。

（ｃ）各微小要素毎に熱収支を計算する。

（ｄ）凝固パターンを計算して、指向性凝固が実現され
ない場所に引け巣が発生することを予測する。

（ｅ）（ｄ）で引け巣が発生すると予測された場合に
は、鋳造方案を修正して、再度（ａ）〜（ｄ）の処理を
実行する。

ところで、上記凝固解析を行う上で最も重要な事項は、
（ａ）に示したモデル化である。

第５図および第６図は、ドラム状をなした鋳物に係る鋳
造方案の縦断面形状および平面形状を示しているが、こ
のような方案の適否を解析する場合、方案形状全体を解
析の対象とすることは得策でない。

そこで、このような形状を持つ鋳造方案のモデル化は、
引け巣の発生しやすい箇所、すなわち横押湯部分１のつ
け根周辺部について行われ、第７図には、上記つけ根周
辺部の３次元解析用のモデル化例が示されている。

このモデル化に際しては、微小要素に分割し易いよう
に、湾曲部分、たとえば、第５図に示した押湯部分１等
が段階状に近似されてモデル化される。

つまり、湾曲部分のプロフィールに沿ってジグザグ状の
階段が形成される態様でモデル化される。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、鋳造方案の形状が第５図のように単純である
場合には、モデル化が容易である。しかし、例えば、後
述するバルブボディ等についての鋳造方案のように、湾
曲した外殻を備え、かつ解析すべき部分が多い場合、湾
曲部を階段状に近似する従来の手法ではモデル化に多大
の手間を要する。そして、上記従来の手法によるモデル
化では、上記（ｂ）に示した要素分割数が極めて多くな
るので、要素分割の手間も増える。

本発明の目的は、かかる状況に鑑み、上記モデル化に要
する手間を大幅に低減して、鋳造方案確定作業の簡易化
と迅速化を図ることができる３次元凝固解析方法を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明では、湾曲した外殻を備えた鋳造品を作成する場
合に適用され、上記鋳造品に係る鋳造方案の形状をモデ
ル化する工程と、上記モデル化によって得られたモデル
を微小要素に分割する工程と、上記分割された個々の微
小要素毎の熱収支を計算する工程と、上記熱収支に基づ
いて、凝固パターンを計算する工程と、上記凝固パター
ンに基づいて、引け巣の発生位置を推定する工程とが実
施される３次元凝固解析方法において、上記モデル化す
る工程は、上記鋳造方案の形状の外殻を平板状に展開し
て平板状モデルを形成するものであり、上記展開が、上
記平板状モデルの各部の肉厚を上記外殻の対応する各部
の肉厚に対応させる態様で実施されることを特徴として
いる。

（作用） 鋳造方案に係る鋳物形状の湾曲した外殻を平板状にモデ
ル化しているので、モデル化に要する工数および要素分
割数が著しく少なくなる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

前述したように、鋳造方案についての３次元凝固解析を
行う場合には、鋳造方案の形状をモデル化する工程が実
施される。

第２図および第３図は、鋳造方案として立案されたバル
ブボディ１０の斜視図および平面図である。このバルブ
ボディ１０は、球殻状をなし、その適所には６個の円柱
状押湯部１１Ａ〜１１Ｆと、多数個の冷金１２が配設さ
れている。

第１図の左図は、第２図のバルブボディ１０の上半部、
つまり、同図のＡ−Ａ線による切断面よりも上方の部分
を示している。そして、第１図の右図は、上記バルブボ
ディ１０の上半部を本発明に従って３次元的にモデル化
した例を示している。

このモデル１０′は、ブロック１０−１′とブロック１
０−２′とからなっており、前者は左図におけるＢ−Ｂ
線切断面よりも前方の部分（第３図では右方の部分）
に、また、後者は同切断面よりも後方の部分（第３図で
は左方の部分）にそれぞれ対応する。

上記モデル１０′は、バルブボディ１０の上半部の湾曲
した外殻を平板状に展開している。上記外殻は一様な肉
厚を有しておらず、したがって、上記上半部の外殻を平
板状に展開してモデル化する際には、該ボディ１０の肉
厚が考慮される。

すなわち、例えば、上記上半部の外殻内面には該内面に
沿う筋状の補強リブ（図示せず）が形成されているが、
このリブの形成部位は他の部位よりも当然肉厚が大き
い。そこで、モデル１０′の該当部位１３には、上記補
強リブを含む厚みを持たせてある。

ハッチングを付した部分は、モデル化された補強リブの
側面であり、この側面の上下幅長が補強リブの厚みに相
当する。

なお、上記モデル１０′におけるブロック１０−１′の
側部辺長はπｒ／２であるが、これは被展開物であるボ
ディ１０の対応箇所の曲率半径がｒであるからである。

一方、バルブボディ１０の押湯部１１Ａ〜１１Ｆは、右
図に符号１１Ａ′〜１１Ｆ′で示すように、曲率を有す
る部分が階状に近似されてモデル化される。また、冷金
１２は、符号１２′で示すようにＸ方向またはＹ方向に
沿って配置されるようにモデル化される。

ところで、バルブボディ１０の押湯部１１Ａ〜１１Ｆの
内、押湯部１１Ａ，１１Ｃ，１１Ｄおよび１１Ｅは、ボ
ディ１０の上半部のみに押し湯効果をもたらすものであ
るが、押湯部１１Ｂおよび１１Ｆは、その配設位置から
してバルブボディ１０の上半部および下半部の双方に押
し湯効果をもたらすものである。

したがって、ボディ１０の上半部のモデル化に際して、
押湯部１１Ｂ，１１Ｆの全体をモデル化の対象とした場
合、解析時に押湯部１１Ｂ，１１Ｆの熱量が過大評価さ
れることになる。

そこで、この実施例においては、図１の左図および第３
図に示すように、押湯部１１Ｂ，１１ＦをＣ−Ｃ線によ
って２分して、それらの半部のみをモデル化している。

なお、上記モデル化に際して、Ａ−Ａ，Ｂ−ＢおよびＣ
−Ｃ′線による各切断面での熱の収支は無いものと仮定
している。

上記のような平板状モデル１０′が作成されると、従来
と同様に前述した凝固解析のための処置（ｂ）〜（ｅ）
が実施される。

第３図は、上記方案に係るボディ１０を実際に鋳造した
場合の引け巣発生位置を斜線で示しており、また第４図
は、上記モデル１０′を用いた凝固解析によって予測さ
れた引け巣発生位置を同じく斜線で示している。

同各図の対比から明らかなように、実際の引け巣発生位
置と上記予測による同発生位置はほぼ対応しており、こ
れは本発明に係る３次元凝固解析方法の実用性の高さを
示唆している。

上記モデル１０′に基づいて引け巣の発生が予測された
場合には、前述した処置（ｅ）にしたがって、上記引け
巣を無くす方向に鋳造方案が修正される。

すなわち、鋳造方案における押湯部１１Ａ〜１１Ｆおよ
び冷金１２の位置や大きさを変更するという修正作業が
実施される。そして、修正された方案に対して再び上記
した平板状モデルが作成されるとともに、このモデルに
対して上記処置（ｂ）〜（ｅ）が実施される。

なお、モデル対する凝固解析の結果、引け巣の発生が無
いと予測された場合や、引け巣が無視し得る程度のもの
であると予想された場合には、鋳造方案が適正であると
見做されてその方案に基づく模型が製作される。

上記したように、本発明の実施例では、鋳造方案に係る
鋳物形状の湾曲した外殻が平板状にモデル化されるが、
このようなモデル化手法を採用した場合と、上記従来の
モデル化手法を採用した場合とでは、下表に示すよう
に、モデル化工数（時間換算）、モデルの分割要素数、
凝固解析に要する計算時間およびモデル変更工数（時間
換算）に著しい差異を生じる。

つまり、上記実施例によれば、上記モデル化に要する手
間を大幅に低減して、３次元凝固解析作業の簡易化と迅
速化を図ることができる。なお、下表のデータは、第２
図に示した鋳造方案に関して得たものであり、同表中の
Ｈは時間を示す。

（発明の効果） 鋳造方案に係る鋳物形状の湾曲した外殻を平板状にモデ
ル化しているので、上記外殻を階段状にモデル化する従
来の方法に比して、モデル化に要する工数を大幅に減少
することができる。モデル化に要する工数の減少は、３
次元凝固解析全般に要する工数の低減をもたらすので、
本発明によれば、結果的に鋳造方案確定作業の迅速化を
図れることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、鋳造方案に係るバルブボディのモデル化の態
様を例示した斜視図、第２図は、バルブボディの鋳造方
案を示した斜視図、第３図は、鋳造方案に基づく実際の
鋳造品の引け巣発生位置を示した平面図、第４図は、本
発明にしたがってモデル化された方案に基づく予測引け
巣発生位置を示した平面図、第５図および第６図は、そ
れぞれドラム状の鋳物に係る鋳造方案を部分的に示した
縦断面図および平面図、第７図は、従来の方法にしたが
ってモデル化された第５図の方案の３次元モデルを示す
斜視図である。 １０，１０′……バルブボディ、１１Ａ〜１１Ｆ，１１
Ａ′〜１１Ｆ′……押湯部、１２，１２′……冷金。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−125321（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−21445（ＪＰ，Ａ) 発明協会公開技報84−316

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】湾曲した外殻を備えた鋳造品を作成する場
   合に適用され、 上記鋳造品に係る鋳造方案の形状をモデル化する工程
   と、 上記モデル化によって得られたモデルを微小要素に分割
   する工程と、 上記分割された個々の微小要素毎の熱収支を計算する工
   程と、 上記熱収支に基づいて、凝固パターンを計算する工程
   と、 上記凝固パターンに基づいて、引け巣の発生位置を推定
   する工程と が実施される３次元凝固解析方法において、 上記モデル化する工程は、上記鋳造方案の形状の外殻を
   平板状に展開して平板状モデルを形成するものであり、
   上記展開は、上記平板状モデルの各部の肉厚を上記外殻
   の対応する各部の肉厚に対応させる態様で実施される ことを特徴とする３次元凝固解析方法。