【数值模拟】数值模拟在铸造业中的发展

原创 道哥 新材道

铸造是一门历史悠久的金属热加工工艺。

“十三五”期间，我国铸件总产量呈中低速增长态势，预计2020年的铸件总产量将达到5500万吨左右 （摘自《中国铸造行业“十三五”规划解读及中国铸造业2015数据发布》） 。

铸造成型的工艺过程复杂，影响铸件质量的因素很多，铸件也容易出现缩孔、缩松、冲砂、浇不足等缺陷。在传统的铸造业中，工艺设计及铸件质量的控制常常依靠经验来处理，铸造过程中金属液的流动状态以及凝固时的温度、应力状态等都不能直观的表现出来。

随着计算机技术的发展，应用计算机的计算技术可以模拟铸造过程中的应力场、温度场、流场等的变化情况，以及微观组织晶粒的生成长大和形貌的可视化。

应用数值模拟技术，可以减少实验室研究工作、研发周期和工艺优化的成本，对铸造工艺参数进行优化，进而得到更加优质的铸件。

 

↓↓↓数值模拟在铸造业的发展历史

 

进入21世纪，铸造模拟技术在广度和深度的长足发展主要表现在两个方面：

①模拟计算功能由单一的应力场、温度场、流场等向多场耦合发展，使得整个模拟过程更贴近铸造的工艺过程，在铸件及铸造工艺整体优化设计方面起到了积极作用。

②仿真技术由宏观向形成机理方面的模拟计算发展，借助数值模拟技术控制铸件的组织形成和性能，已成为当下铸造成型数值模拟的研究热点之一。

 

 

铸造业的数值模拟计算采用的基本方法通常是有限差分法(Finite Difference Method，简称FDM)和有限元法(Finite Element Method，简称FEM)。其中，有限差分法简单、灵活以及通用性强，主要应用于铸造充填流动的模拟计算。国内的铸造模拟研究工作始于20世纪70年代末，根据对当前铸造数值模拟软件在中国铸造企业的应用情况的调查和分析，据不完全统计，目前国内各类铸造模拟软件用户超过300家，包括Procast、Magma、Flow3D、Anycast、JScast、华铸CAE、清华FT-Star等等。

 

几款常用铸造过程模拟软件介绍

AFSolid

计算方法：FDM

主要功能：几何建模，充型－凝固模拟

适用工艺范围：砂型、壳型、金属型和熔模铸造

CAM-CAST/S IMULOR

计算方法： FEM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织模拟

适用工艺范围：砂型、金属型和熔模铸造

Pro CAST

计算方法： FEM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织、残余应力模拟

适用工艺范围：砂型、压铸、消失模铸造，反重力、离心、连续、倾斜等浇注方法以及定向凝固和单晶熔模铸造等

CASTCAE

计算方法： FDM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织模拟

适用工艺范围： 砂型、壳型、压铸、V 法、熔模铸造

CASTVIEW

计算方法： FEM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织、残余应力模拟

适用工艺范围：砂型、金属型、压铸、低压铸造

MAGMA

计算方法： FDM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织、残余应力模拟，铸件铸型变形模拟

适用工艺范围：砂型、金属型、压铸、低压铸造

MAVIS DIANA

计算方法： FDM

主要功能：几何建模、凝固模拟和压铸过程中的尺寸变化

部重力铸造－MAVIS 压铸－DIANA

PASSAGE/POWERCAST

计算方法： FEM

主要功能：几何建模，充型－凝固、铸造微观组织模拟

适用工艺范围：全部铸造方法

 

数值模拟常用于处理铸造工艺设计不当的问题 。 如 ：

由于工艺设计的问题，导致铸件加工余量大。工艺设计人员凭经验难以控制变形问题，铸造的加工余量一般比国外大1～3倍，导致铸件的生产成本高，生产效率低。

由于工艺设计的问题，大型铸钢件和大型钢锭在凝固结束后，在冒口根部、铸件的厚大断面存在宏观偏析、晶粒粗大问题。

由于工艺设计的问题，出现裂纹、偏析、浇不足、卷气、夹杂等缺陷，导致铸件出品率和合格率低等问题。

因此，对浇铸过程中一些流动和换热的规律进行研究，从而设计出合理的铸型、铸件结构和浇注系统，选择合适的铸造工艺参数，最终减少铸件缺陷，实现铸造工艺的最优化。这样既提高了铸件的质量，又降低了铸件废品率，同时增加了模具的使用寿命。

 

既然数值模拟能低成本且高效的解决铸造业中的众多问题，那么数值模拟在铸造企业中为何至今还无法普及？

目前，国内铸造企业应用铸造过程数值模拟软件，与国外先进铸造企业还有很大差距。在具备规模的铸造企业中，部分企业购置了数值模拟软件，在新产品设计中、技术优化一定程度上采用了模拟技术，模拟结果也发挥了一定的作用。但是对模拟的认识还比较粗浅，模拟应用人员的层次还比较低，模拟配套的性能参数数据库还很缺乏，软件自带数据库与企业的情况不完全一致。除此之外，数值模拟分析是高技术分析，对使用人员有比较高的要求。使用软件的人不仅要熟知铸造工艺方面的知识，对生产现场也要非常熟悉；而且也应当对数值模拟软件的相关原理和算法有一定的认识和理解，才能正确地使用软件，得到具有借鉴意义的精确模拟计算结果。

 

近几年数值模拟在我国铸造业的发展，主要研究技术包括：成形铸造过程数值模拟技术；包含熔炼、热处理的铸造成型全流程数值模拟技术；铸造全过程的热-力-缺陷分析检测和反馈技术；铸造合金和铸造材料热物性参数测量技术，建立丰富且完善的热物性参数数据库；基于数值模拟的智能化铸造工艺设计与优化技术等。

经过大量专家学者的努力，数值模拟最终会与互联网+、人工智能、智能装备、数字化工厂、物联网与在线检测等技术相结合，实现铸件成形制造过程中的实时工艺优化，铸件组织、性能与使用寿命的预测，零件的质量的实时监控，产品研发周期大幅缩短，生产费用大幅降低，资源与能源消耗大量降低等。

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