铸造数值模拟技术在重机行业的应用.pdfVIP

铸造数值模拟技术在重机行业的应用 铸造数值模拟技术在重机行业的应用 刘瑞祥，陈立亮，周建新，廖敦明 (华中科技大学材料科学与工程学院，湖北武汉) 摘要：分析了铸造数值模拟技术在重机行业应用的特点和优势，开发了一些相关的关键技术。众多实 际应用证明，利用数值模拟技术可以很好地优化铸造工艺、提高重机铸件的产品质量。 关键词：铸造；数值模拟；重型机械 ● 铸造过程数值模拟技术(CAE)经过四十多年的发展，目前已进入实用化阶段。欧美日等西方发 达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，成为确定工艺的固定环节和必备工具。20世纪90年代中后 期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有近300家铸造企业拥有模拟 仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。 铸造CAE技术在重机行业应用具有十分重要的意义，这是因为：(1)重机行业的铸件一般都是 大、中型铸件，并且都是单件、小批量，不容许、也不可能通过试错法反复地实验来完成工艺优化； (2)重机行业对铸件的质量保证相对较高，一些铸件甚至要求零缺陷；(3)从经济角度来看，重机 行业铸件的单件价值很高，一旦报废损失巨大； (4)出于质量保证的考虑，重机行业的铸件工艺出品 率往往较低。传统的工艺制定方式很难及时、快捷地在铸件质量与工艺出品率之间找到最佳平衡点； (5)与一般行业相比，重机行业的铸造生产方式对技术人员的知识及经验要求更高。因此，铸造 CAE技术在重机行业有其更值得推广的价值。在保证质量，提高效率，提高效益，减少对经验、对特 定人员的依赖，保持工艺设计水平的稳定等方面更具显著的意义。 另一方面，从模拟技术的适应性来看，相对于其他铸造方式，包括低压、压铸、熔模铸造等，以 及相对于薄、小件而言，模拟技术在重机行业常见的大、中型砂型重力铸件上，更容易发挥出倍增的 效果，这是因为： (1)低压铸造和高压铸造等过程相对复杂，受设备条件影响较大，而重力砂型铸造 则完全不同； (2)薄、小件受边界条件影响很大，在相当程度上增加了模拟的难度，限制了模拟结果 的发挥，而重机行业多为大、中型铸件，模拟预测结果的描述精度高，可信度、可用性更好。 综上所述，合理、有效地应用铸造数值模拟技术，可以提高重机行业的铸造总体水平，使铸造工 艺设计及优化水平上升一个新台阶。 1 相关技术 ～ 1．1 智能化全自动变网格剖分计算技术 如前所述，因重机行业多为大、中型铸件，如果要保证计算精度而采用较细的网格就会引起整个 网格数急剧增加，采用变网格技术对于重机行业而言具有重要的用途。 变网格又称非均匀网格，目的是在薄壁处采用小(细)网格、在厚壁处采用大(粗)网格。该问 题本身并非新事物，但如何全自动地生成非均匀网格目前在国内铸造模拟技术领域依然是一个困难。 本研究开发成功了智能化的全自动变网格剖分技术，使该技术走向实用化。 (1)原理 实现非均匀网格自动化剖分最困难的是如何探知各部位的壁厚，然后根据各部位壁厚的不同来智 能化地选择网格尺寸。如果只就某一个实体而言得到各处的壁厚并非难事，但对于铸造模拟而言，壁 _’^——279‘。。。—— 首届中国大型铸锻件制造技术发展论坛论文集 厚不仅仅针对铸件实体本身而言，还必须将冷铁、砂芯、保温套、铸型等各个要素考虑进来，在这些 所有的实体中找到各部位的最小壁厚。为此，本研究提出了实体优先级别及预剖分技术来实现智能化 全自动变网格剖分。原理如图1所示。 图l 智能化全自动变网格剖分原理图 (2)应用效果 基于上述原理本研究开发了智能化全自动变网格剖分软件。如图2所示，使用者只需输入最大允 许的网格边长、最小允许的网格边长、临界壁厚、分裂层数以及精度系数等参数后即可自动完成变网 格剖分。 利用该变网格剖分技术，对一实际铸件进行了变网格和均匀网格剖分，剖分参数参见表1。两种 剖分最大精度相同