铸造数值模拟技术及其在典型铸钢件中的应用

摘要

随着铸造CAD/CAE实用化技术的日趋成熟，以及商业化铸造软件的逐步应用，将CAD/CAE技术应用于铸造工艺的辅助设计、铸件产品的开发和铸件质量的改进中具有非常重要的经济和学术意义。 本文分析了铸造CAE数值模拟技术及其发展，研究了铸造模拟过程中流场、温度场、应力场数学模型建立的方法，方程的求解过程，以及影响流场、温度场、应力场因素等。 通过综合利用铸造工艺的计算机辅助设计、计算机数值模拟技术解决了生产中几个典型铸件的缺陷问题。利用IronCAD实体设计软件对矿山机械定颚铸件、水轮机导叶铸件和水轮机转轮叶片铸件进行了三维实体建模和铸造工艺的计算机辅助设计，运用MAGMAsoft铸造数值模拟软件，对定颚铸件钢水充型过程的流场、导叶铸件凝固过程的温度场、水轮机转轮叶片铸件凝固过程的应力场进行了数值模拟分析。 应用铸造CAD/CAE软件成功地对下述过程进行了计算机数值模拟及工艺优化的研究： 1．对定颚铸件钢水充型过程的流场进行了数值模拟，对传统浇注系统和改进后的浇注系统分别进行了模拟分析，结果表明传统浇注系统浇注过程中容易使钢水发生紊流状充型，使铸件表面和内部产生大量的气孔。而改进后的浇注系统不仅使钢水充型平稳，而且实际生产的铸件表面和内部均没有气孔产生。 2．对导叶铸件凝固过程的温度场进行了数值模拟，有效的预测了导叶铸件容易出现缩孔、缩松的位置，并针对上述铸造缺陷建立了顺序凝固时所需要的温度场，编制出合理的铸造工艺，使实际生产出来的导叶铸件无缩孔、缩松缺陷产生。 3．对水轮机转轮叶片铸件进行了凝固过程的应力场数值模拟，成功地预测了凝固过程中应力场对叶片铸件变形量的影响，为叶片铸件生产过程中反变形量的施加提供了指导意见。并根据模拟结果进行了实际生产，结果表明，实际生产的叶片铸件的变形量完全在预测结果范围内。 本文对定颚铸件、导叶铸件和叶片铸件制造过程的CAD/CAE研究，实现了用科技指导生产，为今后将CAD/CAE技术进一步应用到铸造生产中进行了一些有益的探索和尝试。 总之，将计算机CAD/CAE技术应用在铸造工业中，可以快速、准确、低成本地研究铸造生产全过程。采用这项技术对于彻底改变铸造工艺方案制订中的经验不足，确保铸件质量、节约生产成本、提高铸造生产率乃至推动铸造技术的发展与进步都具有举足轻重的作用和意义。

目录

文摘

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第1章 绪论

1.1铸造成型制造技术的发展趋势

1.1.1铸造行业的作用及地位

1.1.2铸造数值模拟技术的发展趋势

1.2铸造CAD/CAE技术概述

1.2.1铸造CAE技术的发展

1.2.2铸造工艺CAD系统的总体结构及发展

1.3本课题研究背景与主要研究内容

1.3.1本课题的研究背景

1.3.2本课题主要研究内容

1.4本章小结

第2章 铸造CAE数值模拟技术

2.1液态金属充型过程的CAE数值模拟技术

2.1.1液态金属充型过程计算机数值模拟概述

2.1.2充型过程中的流体力学基础

2.1.3粘性流体流动的基本方程

2.1.4液态金属充型过程数学模型的解法

2.1.5初始条件和边界条件

2.1.6紊流

2.2铸件凝固过程温度场CAE数值模拟技术

2.2.1铸件凝固过程温度场数值模拟研究状况

2.2.2铸件凝固过程温度场有限元数值分析的基础理论

2.2.3铸件凝固过程温度场数学模型

2.2.4铸件凝固的初始条件和边界条件

2.2.5铸钢件缩孔缩松的形成机理及预测

2.3铸造过程的应力场CAE数值模拟技术

2.3.1铸件凝固过程应力场数值模拟简介

2.3.2铸件凝固过程应力场有限元数值分析的基础理论

2.4 MAGMAsoft铸造CAE模拟软件

2.4.1 MAGMAsoft铸造模拟软件简介

2.4.2 MAGMAsoft的实现过程

2.4.3 MAGMAsoft的工作流程

2.4.4 MAGMAsoft模拟过程

2.4.5采用CAD/CAE技术的总体结构

2.5本章小结

第3章 铸造工艺CAD

3.1铸钢件冒口系统的设计

3.1.1铸钢件冒口设计的基本原理

3.1.2铸钢件冒口尺寸设计的数学模型

3.1.3冒口补缩距离的简单计算方法

3.2铸钢件浇注系统的设计

3.2.1浇注系统的类型

3.2.2浇注系统的尺寸计算

3.3铸钢件冷铁设计原则

3.3.1外冷铁重量的计算

3.3.2外冷铁表面积的计算

3.4本章小结

第4章 定颚铸件浇注系统设计的数值模拟及优化

4.1定颚铸件的三维实体建模

4.2铸件型腔的设计

4.3定颚铸件浇注系统的设计

4.3.1定颚铸件传统浇注系统的设计原则

4.3.2设定铸造工艺的模拟过程

4.3.3铸件充型的模拟试验

4.4定颚铸件浇注系统的优化

4.4.1浇注系统优化设计原则

4.4.2优化设计过程的理论依据

4.5优化后的浇注系统数值模拟结果

4.6本章小结

第5章 水轮机导叶铸件凝固过程温度场的数值模拟及缩孔、缩松的预测

5.1水轮机导叶的作用和结构以及主要铸造缺陷简介

5.1.1导叶铸件的作用和结构简介

5.1.2导叶铸件的主要铸造缺陷

5.2导叶铸件铸造工艺方案

5.2.1铸件材质简介以及主要化学成分

5.2.2铸造工艺计三维实体图

5.3导叶铸件凝固过程的数值模拟及特点分析

5.3.1导叶铸件凝固过程温度场的数值模拟

5.4导叶铸件凝固过程中缩孔、缩松的预测机理

5.5导叶铸件铸造工艺优化方案

5.5.1工艺优化的具体方法和思路

5.5.2优化后的三维实体建模过程

5.6优化工艺后的数值模拟以及实际生产结果

5.6.1优化后的模拟结果

5.6.2优化工艺后的缩孔、缩松预测及实际生产结果

5.7本章小结

第6章 大型转轮叶片铸件凝固过程应力场数值模拟分析及应用

6.1转轮叶片铸件的制作方法

6.1.1转轮叶片的三维实体图的绘制方法

6.1.2转轮叶片冒口和浇注系统的设计及造型方法

6.2转轮叶片凝固过程的应力场影响因素

6.3转轮叶片铸件铸造生产前的计算机模拟分析

6.4数值模拟结果与实际生产结果的比较

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢