考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方法

摘要

本发明涉及锻造过程数值模拟技术领域，具体公开了一种考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方法，包括：测量原始坯料的初始晶粒度分布；建立标准坯料的有限元模型；参照原始坯料的初始晶粒度分布，修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒度分布；保存修改后的有限元模型。本发明根据原始坯料的初始晶粒度分布修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒度分布，实现了组织演变模拟过程中坯料的初始晶粒度的不均匀分布，这种方法的模拟结果与初始均匀晶粒度的模拟结果比模拟精度有明显的提高。

说明书

技术领域

本发明涉及锻造过程数值模拟技术领域，尤其涉及一种考虑初始不均匀晶 粒度的锻造过程数值模拟方法。

背景技术

目前，在大型锻件的生产过程中，首先要浇注铸坯，进而在压力机上锻造， 利用计算机技术模拟微观组织在金属凝固和塑性变形过程中的演化过程能实现 对锻件的成形质量进行预测。阶段的组织演变模拟方法都是基于均匀、统一晶 粒度，即假设锻造前晶粒度从表面到芯部都是一致的。但是事实上，金属在凝 固过程中会形成由表面到芯部的不均匀晶粒度，在后续的变形过程中，这种不 均匀晶粒度会对最后的成形质量产生影响。由于在组织演变模拟方过程中假设 了初始均匀晶粒度的锻件，这样就会造成模拟结果的不准确，从而与客观事实 不相符。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方 法，以克服现有技术中，由于在组织演变模拟方过程中假设了初始均匀晶粒度 的锻件，所造成模拟结果的不准确、与客观事实不相符等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种考虑初始不均匀晶粒度的锻造 过程数值模拟方法，包括以下步骤：

S1.测量原始坯料的初始晶粒度分布；

S2.建立标准坯料的有限元模型；

S3.参照原始坯料的初始晶粒度分布，修改标准坯料的有限元模型的初始晶 粒度分布；

S4.保存修改后的有限元模型。

优选地，所述步骤S1中，通过procast软件的CAFE模块测得原始坯料的 初始晶粒度分布。

或者，所述步骤S1中，通过金相实验和image-Proplus软件观察记录原 始坯料的初始晶粒度分布。

优选地，所述步骤S2中，通过deform软件建立标准坯料的塑性成形有限 元模型，并生成有限元模型的key文件，Key文件包括：单元的总数、每个单元 的节点号、每个节点的空间坐标和每个单元的晶粒度初始值。

优选地，通过UG7.5软件建立标准坯料的几何模型，然后转换成stl文件 并导入到deform软件中，进行网格划分，形成标准坯料的有限元模型。

优选地，所述步骤S3中，通过节点的空间坐标来确定节点的空间位置，再 通过单元的节点位置来确定单元的空间位置，根据每个单元的空间位置的不同， 改写每个单元的晶粒度值。

优选地，根据每个节点的空间坐标先给每个节点设定晶粒度值，再根据每 个单元所包含的节点号，取加权平均值，得到该单元的晶粒度值。

优选地，每个单元包括四个节点。

优选地，通过编写fortran程序来修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒 度分布，以实现标准坯料的有限元模型的初始不均匀晶粒度分布。

优选地，所述步骤S4中，保存修改后的key文件。

(三)有益效果

本发明的考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方法根据原始坯料的 初始晶粒度分布修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒度分布，实现了组织演 变模拟过程中坯料的初始晶粒度的不均匀分布。其与现有技术相比具有以下优 点：模拟精度高，应用该方法，能够实现初始不均匀晶粒度在deform的分布， 在后续的微观组织模拟研究中，其模拟结果比初始均匀晶粒度的模拟结果模拟 精度高；使用方便，与手工修改每个单元的晶粒度的值，节约了大量时间和精 力，提高了建模的效率；开放性好，该方法的相关程序既能耦合到deform中去， 又能独立运行。既能解决特定key文件的晶粒度赋值的要求，又能解决大批量 key文件赋值要求；为解决锻造过程中混晶问题提供了思路和技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例1中42CrMo棒材的三个截面的晶粒度分布图；

图2为本发明实施例1中42CrMo棒材的key文件中用户自定义单元变量；

图3为本发明实施例1中42CrMo棒材的用户自定义单元变量图形显示；

图4为本发明实施例1中42CrMo棒材的key文件中单元编号；

图5为本发明实施例1中42CrMo棒材的key文件中节点编号；

图6为本发明实施例1中42CrMo棒材的key中修改后的用户自定义变量；

图7为本发明实施例1中42CrMo棒材的修改后的用户自定义变量在deform 中的显示；

图8为本发明实施例2中7050Al法兰的截面的晶粒度分布图；

图9为本发明实施例2中7050Al法兰的key文件中用户自定义单元变量；

图10为本发明实施例2中7050Al法兰的用户自定义单元变量图形显示；

图11为本发明实施例2中7050Al法兰的key文件中单元编号；

图12为本发明实施例2中7050Al法兰的key文件中节点编号；

图13为本发明实施例2中7050Al法兰的key中修改后的用户自定义变量；

图14为本发明实施例2中7050Al法兰的修改后的用户自定义变量在 deform中的显示。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明的考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方法包括以下步骤：

S1.测量原始坯料的初始晶粒度分布；

可以通过procast软件的CAFE模块测得原始坯料的初始晶粒度分布，也可以 通过金相实验和image-Proplus软件观察记录原始坯料的初始晶粒度分布。

S2.建立标准坯料的有限元模型；

通过UG7.5软件建立标准坯料的几何模型，然后转换成stl文件并导入到 deform软件中，进行网格划分，通过deform软件建立标准坯料的塑性成形有限 元模型，并生成有限元模型的key文件，Key文件包括：单元的总数、每个单元 的节点号、每个节点的空间坐标和每个单元的晶粒度初始值。

S3.参照原始坯料的初始晶粒度分布，修改标准坯料的有限元模型的初始晶 粒度分布；

通过节点的空间坐标来确定节点的空间位置，再通过单元的节点位置来确 定单元的空间位置，根据每个单元的空间位置的不同，改写每个单元的晶粒度 值，其中，每个单元包括四个节点，根据每个节点的空间坐标先给每个节点设 定晶粒度值，再根据每个单元所包含的节点号，取加权平均值，得到该单元的 晶粒度值；通过编写fortran程序来修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒度分 布，以实现标准坯料的有限元模型的初始不均匀晶粒度分布。

S4.保存修改后的有限元模型；

即保存修改后的key文件。

实施例1

利用procast软件的CAFE模块实现了42CrMo普通棒材的浇注数值模拟及微 观组织模拟结果，得到三个不同截面的晶粒形貌结果，如图1所示。

利用UG7.5软件建立棒材的几何模型，直径40mm，高200mm，转换成stl文件， 导入到deform软件中，进行网格划分，网格数为27437个。

在deform软件中，打开advanced下elementdata选择usr添加四个用户自定 义变量：USRE1为动态再结晶体积分数，其值为0，USRE2为晶粒度，其值为230 μm，USRE3为动态再结晶晶粒尺寸，其值为0，USRE4为平均晶粒度尺寸，其值 为230。

打开其key文件，如图2所示，USRELM是用户自定义单元变量，1为第一个单 元，27437为单元总数，0.0000000E+000为数据格式，4为有四个单元变量，下 一行1为第一个单元，后面四个数分别对应着四个用户单元变量的值分别为： USRE1，USRE2，USRE3，USRE4。在deform的图形显示为图3所示。

通过对key文件的分析，可知每个单元的节点号如图4，ELMCON为单元，27437 为单元总数，4为单元节点数，可知是四面体单元，下一行中1为第一个单元， 407，406，428，531为第一个单元的四个节点号，以此类推直到第27437个单元。

Key文件中也可以得到每个节点的空间坐标，如图5所示，图中RZ为节点， 6278为节点总数，下一行1为节点号，后面三个数分别对应着这个节点的空间坐 标。

通过key文件可知用户单元变量的数值及储存方式，key文件也清晰的给出 了每个单元对应的节点标号，以及每个节点的三维坐标。通过单元的节点位置 来确定单元的空间位置，在根据单元的空间位置不同，改写单元的用户自定义 变量，比如初始晶粒度USRE2，从而完成初始不均匀晶粒度的分布。又由于key 文件的储存严格按照fortran语言的要求，所以编写fortran程序更容易实现初 始不均匀晶粒度的分布。

先简单区分中心区域和表面区域，棒料端面为直径40mm的圆，规定直径30mm 为中心区，晶粒度为800μm，其余为表面区域，晶粒度为300μm。编写fortran 程序，实现不均匀晶粒度在deform前处理中的设置。

在该程序的编写中，定义了整型变量二维数组INTEGER*4ELM(27437,4)， 用来储存每个单元的节点号；实型变量二维数组REAL*8XYZ(6278,3)，用来储 存每个节点的空间坐标；实型变量二维数组USRE(27437,4)，用来储存每个单元 的4个用户定义变量。其编写主要语句如下：

OPEN(UNIT＝3,FILE＝'H:deformingDEFORM_Workpiece.KEY')

该语句的作用是打开H盘下的key文件，设备号是3。

READ(3,30)(AI(I),(XYZ(I,J),J＝1,3),I＝1,6278)

该语句的作用是把节点的空间坐标以30行号指定的格式储存在XYZ数组中。

READ(3,40)(AI(I),(ELM(I,J),J＝1,4),I＝1,27437)

该语句的作用是把单元的节点号以40行号指定的格式储存在ELM数组中。

READ(3,60)(AI(I),(USRE(I,J),J＝1,4),I＝1,27437)

该语句的作用是把单元的4个用户单元变量以60行号指定的格式储存在 USRE数组中。

WRITE(3,60)(I,(USRE(I,J),J＝1,4),I＝1,27437)

把已经改好的四个用户自定义变量存储到key文件中去。

30FORMAT(1X,I7,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3)

40FORMAT(1X,I7,1X,I7,1X,I7,1X,I7,1X,I7)

60FORMAT(1X,I7,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3)

以上为3种FORMAT格式，编写该程序时，一定要遵守上述格式，才能对key 文件进行正确的改写，否则造成key的错误，进而不能正常进行模拟。

打开修改后的key文件，如图6所示，通过修改后的key文件，我们不难发现， 第二竖行为每个单元的初始晶粒度USRE2的值，1,3,9,10,单元的初始晶粒度为 800μm，2,4,5,6,7,8单元的初始晶粒度为300μm。改变了初始晶粒度为230μm 的分布，从而实现了初始不均与晶粒度的分布的程序实现。保存key文件，修改 后的key文件加载到deform软件中如图7所示。

从图7中可以清晰的看到表面晶粒度和中心区域晶粒度不一样，也再次验证 了编写的程序的准确性，也实现了初始晶粒度不均与在deform的实现问题。为 接下来的截齿的铸锻复合工艺的数值模拟解决了初始不均匀晶粒度的分布的问 题。该程序不仅可以解决初始晶粒度的分布问题，也可以为解决混晶问题提供 思路和指导。

实施例2

利用procast软件的CAFE模块实现了7050Al法兰离心铸造的数值模拟及微 观组织模拟结果，得到了不同截面的晶粒形貌结果，如图8所示。

利用UG7.5软件建立法兰的几何模型，转换成stl文件，导入到deform软件 中，进行网格划分，网格数为60731个。

在deform软件中，打开advanced下elementdata选择usr添加四个用户自定 义变量：USRE1为动态再结晶体积分数，其值为0，USRE2为晶粒度，其值为90μ m，USRE3为动态再结晶晶粒尺寸，其值为0，USRE4为平均晶粒度尺寸，其值为 90μm。

打开其key文件，如图9所示，USRELM是用户自定义单元变量，1为第一个单 元，60731为单元总数，0.0000000E+000为数据格式，4为有四个单元变量。下 一行1为第一个单元，后面四个数分别对应着四个用户单元变量的值分别为： USRE1，USRE2，USRE3，USRE4。在deform的图形显示为图10所示。

通过对key文件的分析，可知每个单元的节点号如图11，ELMCON为单元， 60731为单元总数，4为单元节点数，可知是四面体单元，下一行中1为第一个单 元，5583，5803，5964，5963为第一个单元的四个节点号，以此类推直到第60731 个单元。

Key文件中也可以得到每个节点的空间坐标如图12所示。图中RZ为节点， 14095为节点总数。下一行1为节点号，后面三个数分别对应着这个节点的空间 坐标。

通过key文件可知用户单元变量的数值及储存方式，key文件也清晰的给出 了每个单元对应的节点标号，以及每个节点的三维坐标。通过单元的节点位置 来确定单元的空间位置，在根据单元的空间位置不同，改写单元的用户自定义 变量，比如初始晶粒度USRE2，从而完成初始不均匀晶粒度的分布。又由于key 文件的储存严格按照fortran语言的要求，所以编写fortran程序更容易实现初 始不均匀晶粒度的分布。

根据CAFE的模拟结果以及考虑到有限元模型的简化性，制定了相应的赋值 法则如下：

a)在高度小于221mm位法兰管部，定义坯料在表面层5mm处USRE2的值为100 μm，中心层USRE2的值为500μm；

b)在高度在221mm和231mm之间是圆角过渡区，定义中心层为半径在105mm 和120mm之间，其余为表层。USRE2的取值如上所示；

c)在高度大于231mm的部位为法兰端部，定义中心层为半径在105mm和142mm 之间，其余为表层。USRE2的取值如上所示。

在该程序的编写中，定义了整型变量二维数组INTEGER*4ELM(60731,4)， 用来储存每个单元的节点号；实型变量二维数组REAL*8XYZ(14095,3)，用来储 存每个节点的空间坐标；实型变量二维数组USRE(60731,4)，用来储存每个单元 的4个用户定义变量。其编写主要语句如下：

OPEN(UNIT＝3,FILE＝'H:deforming7050.KEY')

该语句的作用是打开H盘下的key文件，设备号是3。

READ(3,30)(AI(I),(XYZ(I,J),J＝1,3),I＝1,14095)

该语句的作用是把节点的空间坐标以30行号指定的格式储存在XYZ数组中。

READ(3,40)(AI(I),(ELM(I,J),J＝1,4),I＝1,60731)

该语句的作用是把单元的节点号以40行号指定的格式储存在ELM数组中。

READ(3,60)(AI(I),(USRE(I,J),J＝1,4),I＝1,60731)

该语句的作用是把单元的4个用户单元变量以60行号指定的格式储存在USRE数 组中。

WRITE(3,60)(I,(USRE(I,J),J＝1,4),I＝1,60731)

把已经改好的四个用户自定义变量存储到key文件中去。

30FORMAT(1X,I7,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3)

40FORMAT(1X,I7,1X,I7,1X,I7,1X,I7,1X,I7)

60FORMAT(1X,I7,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3,1X,1E15.7E3)

以上为3种FORMAT格式，编写该程序时，一定要遵守上述格式，才能对key 文件进行正确的改写，否则造成key的错误，进而不能正常进行模拟。

打开修改后的key文件，如图13所示，通过修改后的key文件，我们不难发 现，用户自定义变量USRE2的值已经发生变化因此，该程序改变了初始晶粒度的 分布，从而实现了初始不均与晶粒度的分布的程序实现。保存key文件，修改后 的key文件加载到deform软件中，如图14所示。

本发明的考虑初始不均匀晶粒度的锻造过程数值模拟方法根据原始坯料的 初始晶粒度分布修改标准坯料的有限元模型的初始晶粒度分布，实现了组织演 变模拟过程中坯料的初始晶粒度的不均匀分布。其与现有技术相比具有以下优 点：模拟精度高，应用该方法，能够实现初始不均匀晶粒度在deform的分布， 在后续的微观组织模拟研究中，其模拟结果比初始均匀晶粒度的模拟结果模拟 精度高；使用方便，与手工修改每个单元的晶粒度的值，节约了大量时间和精 力，提高了建模的效率；开放性好，该方法的相关程序既能耦合到deform中去， 又能独立运行。既能解决特定key文件的晶粒度赋值的要求，又能解决大批量 key文件赋值要求；为解决锻造过程中混晶问题提供了思路和技术支持。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者 将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言 是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用， 并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各 种修改的各种实施例。