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解密CAE工藝分析技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用
發(fā)布時間:2019-03-11 | 信息來源:東莞盈安教育科技有限公司解密CAE工藝分析技術(shù)在鑄造行業(yè)的應(yīng)用
鑄造CAE技術(shù)是指利用有限元分析技術(shù)對鑄造工藝過程中金屬液體充型、凝固的過程進(jìn)行模擬仿真,在計算機(jī)中“試生產(chǎn)”鑄件,為制定合理的鑄造工藝提供有力的指導(dǎo),鑄造數(shù)值模擬CAE技術(shù)涉及鑄造成形理論與實踐、計算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù)、三維造型、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、彈性塑性力學(xué)等多種學(xué)科,是典型的多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域,主要研究溫度場模擬、流體場模擬、流動與傳熱耦合計算、應(yīng)力場模擬、組織模擬等過程模擬。
采用鑄造CAE技術(shù)可視化地顯示出鑄造全過程,分析縮松、縮孔等缺陷形成過程,進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝,這可以較大程度的改變傳統(tǒng)鑄造工藝方案制定過程中的不確定性,是鑄造工藝由“經(jīng)驗”走向“科學(xué)”的重要途徑。
現(xiàn)階段鑄造CAE技術(shù)的運(yùn)用主要有比較成熟的凝固過程模擬、充型過程模擬、流動與傳熱耦合模擬等,以及正在發(fā)展中的應(yīng)力應(yīng)變模擬、組織性能模擬、鑄件熱處理模擬等。
凝固過程模擬
由于在鑄件凝固的潛熱、初始條件和邊界條件方面的處理方法均已很成熟,對凝固過程中常見缺陷——縮孔、縮松的預(yù)測也相對深入準(zhǔn)確,凝固方面的熱物性參數(shù)的理論與實驗研究也比較豐富,這些因素決定了凝固過程模擬技術(shù)已具備了很強(qiáng)的實用性,目前的模擬軟件對鑄件凝固進(jìn)程中的熱節(jié)、溫度梯度、冒口補(bǔ)縮狀態(tài)、液相孤立區(qū)以及縮孔縮松的預(yù)測已經(jīng)可以有效地優(yōu)化鑄造工藝、指導(dǎo)實際生產(chǎn)。下圖是通過對某鑄件凝固過程中的縮孔縮松分布來改進(jìn)鑄造工藝,改進(jìn)后的缺陷明顯減少。
充型過程模擬
厚街模具設(shè)計與制造中由于涉及流體動力學(xué),相對于凝固過程來說充型模擬更為復(fù)雜,但最新的并行計算技術(shù)和高性能計算機(jī)硬件解決了充型模擬的效率問題。目前已可以模擬分析金屬液充型進(jìn)程中的壓強(qiáng)分布、速度分布、負(fù)壓區(qū)域、渦流區(qū)域,預(yù)測充型過程中的卷氣、夾雜等缺陷,有效優(yōu)化澆注系統(tǒng)設(shè)計。下圖是某鑄件充型過程中兩個不同時刻的充型壓力分布,從圖中可以看出該充型過程中存在壓力不足(紅色區(qū)域)的區(qū)域會導(dǎo)致流痕等缺陷,這與實際試制生產(chǎn)非常吻合。
流動與傳熱耦合模擬
目前流動與傳熱耦合模擬可以同時分析鑄造工藝過程中的溫度分布、壓強(qiáng)分布、速度分布,預(yù)測澆不足、冷隔等缺陷,優(yōu)化澆注工藝。從原始工藝充型過程中幾個不同時刻的溫度分布模擬結(jié)果可以看出,該工藝最開始充型平穩(wěn),待鑄件澆注60%之后金屬液從上至下填充鑄件內(nèi)圈,這種充填方式容易使鑄件相應(yīng)部位產(chǎn)生卷氣夾渣等缺陷,實際生產(chǎn)也是這些部位有夾渣缺陷,后來改進(jìn)工藝在鑄件內(nèi)圈底部導(dǎo)人了一些內(nèi)澆道,從而很好地解決了卷氣夾渣的問題。
鑄造工藝中金屬流體溫度分布模擬
應(yīng)力應(yīng)變模擬由于液態(tài)與固態(tài)共存時,鑄件的力學(xué)性能的難以測定,仍然無法完全建立此階段的力學(xué)模型,因此應(yīng)力應(yīng)變模擬是整個鑄造過程模擬中的難點(diǎn)。組織性能模擬則是一個非常復(fù)雜的研究過程,涉及到各種材料的微觀組織在不同狀態(tài)下的不同性能,現(xiàn)階段的組織性能模擬分析中,鑄件的工藝和環(huán)境條件偏向單一化和理想化,弱化了材料微觀組織性能變化的復(fù)雜程度,因此距離實際工藝過程中的鑄件組織模擬還有一定距離。
目前的鑄造CAE軟件的應(yīng)用中,主要是國外較成熟的軟件占主導(dǎo)地位并且代表了鑄造CAE軟件的最高水平。最著名的國外軟件有法國的ProCast、美國的FLOW3D和德國的MAGMA等,國內(nèi)軟件有清華大學(xué)的FT-star、華中科技大學(xué)的華鑄CAE等。這些軟件大都與CAD實體模型有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,運(yùn)用CAD模型對鑄造工藝進(jìn)行流場、應(yīng)力場和溫度場的數(shù)值模擬,以模擬結(jié)果來預(yù)測鑄件的縮孔縮松、裂紋、變形等缺陷,根據(jù)缺陷的原因和位置對鑄造工藝方案做出改進(jìn)和優(yōu)化。
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