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1、挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟摘 要介绍了铸造过程数值模拟技术的一些基本的原理和应用。采用华铸CAE软件对大型铸钢件挂舵臂的铸造成形过程温度场进行模拟。选用了Solidworks三维造型软件生成铸件以及冒口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出STL格式文件作为接口文件，然后用华铸软件进行模拟计算处理。模拟结果作为改良挂舵臂铸造工艺的依据，在挂舵臂肋板热节处设置冷铁来提高凝固速度，在冒口上加设保温冒口套来提高冒口的金属液补缩能力。通过对凝固过程温度场的模拟分析，优化了原始工艺。利用计算机模拟技术，判断铸造工艺的合理性，辅助完成工艺优化的方法，能够彻底克服传统工艺设计方法的缺点
2、，提高设计质量，缩短试制周期，降低生产成本。将模拟优化后的工艺用于中信重机公司铸锻厂的实际生产中，结果表明：通过合理设置冒口、冷铁的位置和大小，合理选择浇注系统及分型面，可以控制冶炼和热处理工艺，保证铸件符合顺序凝固的原则，生产出组织致密、性能优良、各项指标达到用户要求的优质挂舵臂铸件。关键字：挂舵臂，华铸CAE，缩孔，工艺优化Computer Simulation for Casting Process of Rudder ArmABSTRACTThis article has introduced the principles and applications of numerical s
3、imulation of casting process. HUA ZHU CAE been used to imitate the temperature field in the casting process of the large rudder arm. In this experiment, Solidworks, a three-dimensional modeling software, has been used to create the three-dimensional entity model of casting and riser, pour system, ri
4、ser set, cold iron, etc and lead out files whose forms are STL as the interface files. And then Intecast has been used to imitate the computing. The simulation result is used as the basic of improving the casting technology of the rudder horn. In order to enhance the speed of solidification, cold ir
5、ons are set up in the rib hot spot of rudder arm. And to improve the contraction compensation capacity of molten metal of the riser head, the insulating riser sleeve has been set up. Through the simulation analysis the original technology has been optimized. Utilizing the computer modeling technique
6、 to judge the rationality of casting technology and to assist the optimization of casting technology can overcome the shortcoming of the traditional method on craft design completely. That can improve design quality and shorten production cycle as well as reduce the production cost.CITIC heavy machi
7、nery CO. adopted the optimized technology in the actual production. The results shows that cast of rudder arm with compact texture, high quality and satisfying parameters can be produced by properly setting the position and size of riser and cold iron, properly choosing perfusion system and parting
8、plane，controling smelting and heat treatment process and ensuring that the cast accord to the principle of sequential solidification.KEY WORDS： rudder arm, HUA ZHU CAE, shrinkage, process optimization目 录第一章 绪论11.1 造船业的发展与挂舵臂铸件的介绍11.2 挂舵臂的传统铸造工艺31.2.1 挂舵臂成型特点41.2.2 传统铸造工艺4第二章 挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究72.1 缩孔、缩松
9、产生的原因和过程72.2 挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生82.3 挂舵臂生产中缩孔、缩松缺陷的防止92.3.1 挂舵臂铸件中缩孔位置的确定92.3.2 挂舵臂铸件生产中缩孔的防止11第三章 挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化133.1 计算机技术在铸造生产中的应用133.2 华铸CAE的概述143.3 华铸CAE对挂舵臂铸造过程温度场的模拟163.3.1 STL文件的前置处理163.3.2 温度场的计算分析173.3.3 模拟结果显示与分析193.4 挂舵臂铸造工艺优化20第四章 挂舵臂铸钢件的实际生产23结论 .27参考文献28致谢.30第一章 绪 论1.1 造船业的发展与挂舵臂铸件
10、的介绍中国造船业经过几代人的努力，取得了令世人瞩目的成就。2006年中国造船产量达到1400万载重吨，占世界造船总产量的20%份额，造船总量位居世界第三1。中国船舶工业应以加入WTO为契机，抓住新的机遇，放眼世界，充分利用国内和国外两个资源、两个市场，努力创新，“做大、做强”中国船舶工业。从世界造船竞争格局的演变看，进入新世纪，世界造船业结构调整和产业转移步伐加快，中国造船业正在迅速崛起，在世界造船业中的地位日益突出。中国船舶工业已经进入实施跨越式发展的新时期，呈现强劲的增长势头和巨大的发展潜力，中国船舶工业所具有的综合比较优势，使中国最有希望成为下一个造船王国。按照船舶系统“十一五”规划，加
11、强船舶自主设计能力、船用装备配套能力和大型造船设施建设，优化散货船、油轮、集装箱船三大主力船型，如图1-1所示，重点发展高技术、高附加值的新型船舶和海洋工程装备。这不仅仅是中国船舶制造工业的发展，无疑也对中国整体高技术制造生产、高质量铸件生产提出更高要求。据计算，每百万吨载重船需要船厂外协的铸锻件1万2万吨。所以船用铸件，尤其是大型船用铸件的生产技术对造船业的发展有着极大的影响。 散货船 20万吨油轮集装箱船图1-1 三大主力船型众所周知，船舶的航行除了前进的动力，还需要方向的确定和转变，而舵就是船舶转变方向的设备，所以舵系是船舶航行最主要的设备之一，直接关系到船舶航行的安全性能。舵系的设计是
12、一项比较复杂的工作，在外装区域设计中占有重要的地位，其质量的好坏直接影响到整艘船舶下水节点和建造质量2。作为本研究对象的挂舵臂为船舶上重要部件之一(如图1-2)，其用途是来承受舵转动时所使与的拉应力与压应力。挂舵臂与艉轴管安装位置示意如图1-3所示，从而挂舵臂结构复杂、形状特殊、尺寸精度要求高。另外，挂舵臂几乎所有面均设计为曲面，以使船舶在航行中所受阻力小。 图1-2 挂舵臂图1-3 挂舵臂与艉轴管安装位置示意图以上种种的使用要求和设计思想无不体现对高技术制造业尤其对铸造业的迫切需求。挂舵臂铸钢件大都为小批量生产，铸件重量大（单件重量80157t）耗用钢水材料多，进行反复试浇显然是不合理的，而
13、传统的铸造工艺往往只是凭借铸造工艺人员的实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波探伤和磁粉探伤等鉴定和分析之后，才能得到一个合理、优化的铸造工艺方案。本文正是探讨利用先进的计算机模拟技术（CAE）对大型铸钢件挂舵臂铸造成形过程的温度场进行模拟，预测缩孔、缩松缺陷，进而对铸造工艺进行优化，改变传统的“试制”模式，以计算机技术提高铸造业铸造技术水平，并为中国船舶工业的发展作出贡献。1.2 挂舵臂的传统铸造工艺大型挂舵臂铸钢件是支撑、吊挂舵结构的关键件，挂舵臂的性能和质量在船舶航运中起着非常重要的作用。生产中不但要保证铸件的形体尺寸完美地符合图纸规定的流线型外表，以减小轮船在大海中行驶的阻力。还要
14、控制内部质量，保证挂舵臂在恶劣的工作环境下满足使用要求，确保整个船只的安全航行。本设计挂舵臂铸件材质为KSC49,化学成分见表1-1，其中残余元素Cr、Ni、Mo、Cu总含量1%，外型轮廓尺寸为762918605639mm,重量为82t，结构形状复杂，铸件尺寸公差要求较严格，铸造难度大，浇冒口处、圆角处、机加工表面和特殊表面均要求超声探伤和着色探伤。为此应该对该铸件进行了仔细的分析，制订合理可行的铸造工艺，以生产出合格的铸件。表1-1 KSC49的化学成分（Wt%）材质CSiMnPS残余元素（总量不大于1）CrNiMoCuKSC490.180.230.400.600.890.920.0250.
15、010.200.500.200.301.2.1 挂舵臂成型特点挂舵臂铸件的成形过程具有如下特点：1. 由表1-1可看出，碳量在Fe-C相图中位于包晶区，凝固特性决定铸件易形成显微缩松，磁粉探伤后出现超标磁痕显示，特别是加工后不易进行返修、焊补和回火处理3。2. 结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面，形状均为流线型，每个断面尺寸均不相同，其特殊的结构特点为工艺编制、造型、清理等工序均带来不便。3. 挂舵臂质量要求高，形位公差要求极其严格，且要求磁粉探伤和超声波探伤。而中间型腔芯子易漂浮，使铸件壁厚不均匀。4. 铸件尺寸大、重量大，最大重量达150t，钢液总量200t以上，需要三包钢液合浇，给生
16、产组织和质量管理增加了难度。各船级社船都要求在船用铸钢件重要部位进行超声波探伤和磁粉探伤，所以铸造工艺设计中必须采用针对性的技术措施有效地预防各种铸造缺陷。1.2.2 传统铸造工艺挂舵臂铸钢件是船舶的必备部件，随着船舶工业的发展，各工矿企业在挂舵臂的长期生产过程中不断探索，制定了传统的制作工艺。1. 浇注位置的选择由于挂舵臂铸件体积大，尤其是两个曲面型侧面近似于两个大平面，为避免曲面形侧面平躺时朝上的大平面产生夹砂结疤类缺陷，把铸型实体从平躺状态翻转90，成为侧立状态，并以此状态进行浇注。2. 分型面的选择分型面是两半铸型相互接触的表面。从挂舵臂铸件的体积、结构考虑采用了立浇工艺，再综合考虑顺
17、序凝固原则、分型面选择原则以及挂舵臂侧立形态，最终选择四个分型面，五箱造型。其中三个分型面分别在三层横浇道处，最上一层分型面在挂舵臂舵轴孔下540mm处。3. 浇注系统的选择侧立状态的挂舵臂高度较大（5639mm）、曲面型侧面壁厚较小（最小处100mm）而且曲面型侧面围成的“筒形”中还有两个大肋板。采用顶注式，充型不平稳，易造成冲砂缺陷。采用底注式，充型后金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩，高大薄壁铸件易形成浇不到、冷隔。中间注入式适用于高度不大、中等壁厚的铸件。而结构正确的阶梯式浇注系统，金属液首先由底层内浇道充型，液面自下而上地、顺序地流经各层内浇道，充型平稳，型腔内气体排出顺利4。充
18、型后，上部金属温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口补缩，铸件组织致密。利用多内浇道，还可减轻内浇道附近的局部过热现象。故经过分析各浇注系统优缺点及分型面的选择位置，采用三层阶梯浇道。如图1-4所示，其具体尺寸如下：采用4道140mm直浇口，分别布置在大、小端头的两端；横浇口采用120140mm过渡，长向上将直浇口接通，横向上仅需将底层直浇口接通，内浇口三层，每侧均布6道100mm，上层在分型面下300mm处，下层平行于底部轮廓高出约100mm。图1-4 浇注系统（绿色）4. 冒口的设置挂舵臂铸件热节部位主要在两个加工轴孔及筒体与侧向伸出部分交接处（脊梁处），具体的预测过程将在下章进行说明。热节圆
19、能反映出铸件冷却快慢，热节圆愈大，冷却愈慢，热节圆愈小，冷却愈快。根据热节大小及补缩距离计算设置冒口，如图1-5所示，具体尺寸如下：在大头舵轴孔上处设置1900mm明冒口，浇高为1600mm；在小头轴孔处设置1900mm的明冒口，浇高为1920mm；脊梁处冒口，沿筒体长度方向，以大头舵轴内表面为基准，设置四排暗冒口，其间距分别为：940mm、1250mm、1100mm、1910mm，大小分别为2400mm、2400mm、2500mm、2500mm，400mm和500mm的浇高分别为：310mm和440mm。900mm的明冒口用厚度为110mm的保温冒口套，400mm和500mm的暗冒口保温套厚
20、度分别为65mm和70mm。图1-5 挂舵臂冒口设置5. 挂舵臂工艺模型由于挂舵臂铸件结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面，且每个断面尺寸均不相同，传统的手工绘制或着简单的二维造型不能满足要求。利用三维造型软件Solidworks将初始工艺图转化为三维图，形成工艺模型如图1-6所示。图1-6 工艺模型第二章 挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究挂舵臂的成形过程是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的零件的方法，即金属液态成型（铸造）。液态金属浇入铸型后，铸型的吸热，金属温度下降，空穴数量减小，原子间距缩短，液态金属的体积减小产生液态收缩5。温度继续下降，液态金
21、属凝固，发生由液态到固态的状态变化，原子间距进一步缩短，进行凝固收缩。金属凝固完毕之后，在固态继续冷却时，原子间距还要缩短，产生固态收缩。而在凝固过程中所产生的收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。所以挂舵臂的生产过程中很可能会产生缩孔、缩松、裂纹、应力和变形缺陷。本章重点研究缩孔和缩松缺陷的产生与防止。2.1 缩孔、缩松产生的原因和过程在铸件最后凝固的部位，液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞称为缩孔，缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙6。分散在铸件某些区域内的细小缩孔称为缩松。缩
22、孔的形成主要出现在恒温或温度范围很窄的结晶金属，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩孔容积较大，多集中在铸件上部和最后凝固的部位。如图2-1为圆柱体铸件缩孔形成过程。图2-1 缩孔形成过程缩松形成的基本原因和缩松一样，是由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但是形成缩松的基本条件的结晶温度范围较宽。结晶温度范围较宽，液态金属的过冷度小，容易发展成为树枝发达的等轴晶，倾向于糊状凝固方式7。在糊状凝固方式的合金中或断面较大的、以糊状凝固的铸件壁中，枝晶长到一定程度使熔融金属被分离成彼此孤立的状态，它们继续凝固时也将产生收缩，这时铸件中心虽有液体存在，但由于树枝晶的阻碍使之无法补缩。所以在凝固后形成
23、许多微小的孔洞，缩松形成过程如图2-2所示。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。图2-2 缩松形成过程2.2 挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生挂舵臂用于大型远洋船舶使得挂舵臂铸钢件内若存在微量的缩松、缩孔、裂纹、夹杂等缺陷都可能对船舶的运行带来巨大的危险，所以挂舵臂铸件不但重量大，内部质量要求还很高。下文就对挂舵臂生产过程中所形成的缩孔、缩松缺陷进行分析。铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区（如图2-3）。铸件的质量与凝固区域有密切关系。碳钢结晶过程有一定结晶间隔，所以结晶过程不可避免存在固相和液相同时
24、并存区域，这一区域称为“凝固区域”。凝固区域范围越大，就愈易形成等轴晶，未凝固液体被隔离开来，补缩就愈不易。这种情况下，铸件容易形成缩松（分散性缩孔）。相反，这个区域越小，愈易形成柱状晶，铸件容易形成缩孔，此时铸件易补缩，质地致密。图2-3 凝固区域结构挂舵臂材质为KSC49钢，其碳的质量分数为0.18%0.23%，属低碳钢。低碳钢结晶温度范围窄，在凝固过程中铸件断面上的凝固区域很窄，以与纯金属相似的逐层凝固方式进行凝固。凝固时，其前沿直接与液体金属接触，当凝固发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向小，而是在铸件最后凝固的区域留下集中缩孔。因此，通常认为低碳钢补缩性
25、能好。2.3 挂舵臂生产中缩孔、缩松缺陷的防止钢液随着温度的降低，将要发生液态收缩和凝固收缩，这是钢固有的性质。这一性质是客观存在不能改变的。缩孔总是在铸钢件热节的部位出现，而对热节进行补缩是唯一的方法。所以准确的预测缩孔的位置，采取适当的工艺措施补足铸件外形收缩，补充钢液体积减小，弥合缩孔缺陷，得到合乎质量要求的铸件。2.3.1 挂舵臂铸件中缩孔位置的确定一般认为缩孔形成在金属长期处于液体状态的地方，即在被称为“热节”处。形状简单的铸钢件，如球形、圆柱形，根据形状可大致判断缩孔出现的位置。形状复杂的铸钢件必须根据铸件各部分壁厚情况进行分析。有时一个铸件分成几个区域同时凝固，缩孔位置呈分散状态
26、；有时一个铸件结构恰好形成顺序凝固，缩孔位置则集中在最后凝固处。在生产实践中，近似地求集中缩孔位置的常用方法是用“结晶等温线法”和“内切圆法”（如图2-4）。“结晶等温线法”一般用于形状较为简单的铸钢件。在铸件断面上自冷却表面开始，相应于结晶温度的状况画出与铸件传热方向相垂直的等温线。在同一等温线上各点同时达到碳钢的固相线温度，划分到在最狭小的断面上相接触为止8。此时，等温线不相毗连的地方就会有缩孔出现。图2-4 缩孔位置的确定近似地求集中缩孔位置的另一种方法是“内切圆法”。所谓“内切圆”，即在铸件上“热节”处所能画出的最大内切球体，通常称为“热节圆”。计算热节圆有两种方法。第一种方法需先在图
27、纸上用11比例画出铸件热节处的形状，然后再画出的内切圆即是热节圆。此法应用较普遍。第二种方法是公式法，用于计算形状规则的热节处，例如铸件中的“T”字形筋，“+”字形筋的热节圆。内切圆直径大于铸件壁厚的部位凝固较晚，叫做铸件的“热节点”。“热节点”由于较厚大，冷却速度小于相邻的铸件壁。“热节点”凝固时如果得不到钢液的补缩，就会在该处形成缩孔。接下来，结合“内切圆法”的原理和挂舵臂铸件的结构来确定挂舵臂的热节，进而预测缩孔缺陷。由挂舵臂铸件结构可知，大舵轴孔（图2-5 a)）、小舵轴孔（图2-5 b)）与脊梁处（图2-5 c)）存在较大热节。流线型侧曲面的厚度均匀，无厚大热节，可顺序凝固，不易产生
28、缩孔、缩松缺陷。而筋板的根部（图2-5 d)）相对于厚度均匀的侧曲面为热节部位，不易进行顺序凝固，热节处不能得到补缩而形成缩松，影响挂舵臂质量9。在生产实际中，挂舵臂的热节确实出现在厚大的壁、厚大的壁和舵轴孔的联接处和筋板的根部。 a) 大舵轴孔处 b) 小舵轴孔处 c) 脊梁处 d) 肋板处图2-5 挂舵臂热节处2.3.2 挂舵臂铸件生产中缩孔的防止凝固区域的存在是产生缩孔的根本原因，而凝固区域宽度是影响缩孔分布的重要原因。挂舵臂铸件的材质为低碳钢，低碳钢结晶温度范围窄，在凝固过程中铸件断面上的凝固区域很窄，以逐层凝固方式进行凝固，易产生集中性缩孔。工艺上容易对集中缩孔缺陷进行补缩。在实际的
29、生产当中防止铸件中产生集中缩孔的工艺措施主要有以下两种：1. 以直接补注法消除缩孔消除缩孔的理想情况是在浇注过程中边浇边凝固，使所有的液态的和凝固期的体积收缩全部在浇注过程中得到补偿。此法常用于钢锭的铸造中，而在成形铸造时很少使用。只有在铸件形状简单、具有敞露的、不凝固的表面，通过这表面可以进行补缩时才有可能实现。2. 用冒口补缩铸钢件所谓“冒口”是铸件上附加的突出部分，它装置在铸件上，以使钢液能有此流入铸件补充内部收缩。显然冒口是一附加的容积。补缩过程是钢液由自身的重量或由附加的压力不断流到正在结晶的部分中去，一直到由该“冒口”补缩的部分完全凝固为止。用冒口补缩铸件克服了直接补注法的缺点，几
30、乎不论铸件的形状如何，都可以在需要的地方装置冒口对铸件进行补缩。但要注意的是，冒口中的钢液也要结晶，因此使其中一部分金属不能利用，所以冒口的实际尺寸远大于铸件中被补缩的缩孔尺寸，此外冒口中不能利用的凝固金属还要从铸钢件上割除。所有这些均造成非生产性消耗，从两方面来看，正确地装置冒口及确定其实际需要的尺寸在生产中具有非常重要的意义。第三章 挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化3.1 计算机技术在铸造生产中的应用众所周知材料液态成形铸造，就是将熔融的液态金属注入模型，在模型中凝固、冷却、成形，从而得到特定结构（形状）的产品。中国是铸造古国，有着几千年的辉煌历史。但在这几千年历史的绝大部分时间内，
31、铸造是一种技艺，凭借的是经验，方式是手工，“睁眼造型，闭眼浇注”就是这一状况的生动写照。随着计算机技术的飞速发展及在材料加工中的广泛应用，计算机也完全变革了有着悠久历史的铸造领域，计算机辅助设计造型（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）与其他先进技术在铸造领域得到了广泛的应用，并已成为铸造学科的技术前沿和最为活跃的研究领域。传统的液态成型工艺的设计都是基于人工的、经验的，利用红蓝铅笔直接在图纸上画出铸造工艺。而利用CAD进行工艺设计不仅甩掉红蓝铅笔，而且能够完成工艺基本要素的设计与绘制（造型）任务。随着三维造型理论和实用技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺CAD系统具有几
32、何信息的完整，易于与铸造工艺CAE系统、铸造工装CAD/CAM系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工程图样等。目前常见的、成熟的、商品化的三维CAD造型平台有Pro/E、UG、Solidworks、Solidedge等。液态成型CAE技术主要包括充型流动过程模拟、结晶凝固过程模拟、应力/应变分析、微观组织模拟等。众所周知，铸造是一个过程复杂、影响因素多、废品率高的成形方式。但是铸造过程模拟技术（CAE）与CAD技术相结合完全改变了传统模式。设计者先在三维CAD平台上设计出一个铸造工艺方案，然后利用CAE进行模拟分析，预测缺陷，发现问题，再根据CAE的模拟结果在CAD上对方案
33、进行修改，再进行CAE分析，如此往复直到得到满意的工艺设计方案，根据优化后的方案组织实际生产。国内外商品化数值模拟软件10的简介见表3-1所示。计算机辅助制造技术（CAM）在铸造上的应用主要是在工装领域，包括铸造模具、模板等。随着技术的进步，目前绝大部分铸造模具、模板的制造都采用了CAM技术，由数控机床完成，并且大都实现了CAD/CAM一体化。这些先进设计、技术大大推动了铸造行业的技术进步，缩短了新产品的开发周期，大幅度降低了废品率，提高了铸造企业的竞争力。表3-1 国内外商品化数值模拟软件的简介（T为砂型铸造，F为低压铸造，S为金属型铸造）系统名称国别模拟方法功能模块应用范围MAGMA德国F
34、DM造型，流动，应力，凝固，微观，CAD接口各种铸造，T，F，SProCast美国FEM造型，凝固，流动，应力，微观，CAD接口各种铸造，T，F，SNovacast瑞典FDM流动，凝固各种铸造，T，FCastTech芬兰FDM造型，凝固，流动，微观，CAD接口各种铸造，TCASTEM日本FDM流动，凝固，CAD接口各种铸造，T，S华铸CAE中国FDM流动，应力，凝固，微观，CAD接口多种铸造，T，FSIMULOR法国FDM流动，凝固，CAD接口多种铸造，T，F3.2 华铸CAE的概述华铸CAE/InteCAST铸造工艺分析系统以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析，一
35、般包括前置处理模块、计算分析模块以及后置处理模块。前置处理模块包括对铸件、砂芯、铸型等的三维造型和网格剖分，计算分析模块是对铸件、铸型的各物理场进行求解，后置处理模块是把计算结果以曲线、图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来。最后根据模拟分析的结果判断工艺的优劣，如果工艺不可行，则改进工艺重新进行模拟分析直至获得一个比较满意的结果，这样就实现了在计算机虚拟环境下优化工艺的目的。前处理模块包含造型及网格剖分两大部分。现阶段铸造CAE软件的前处理模块一般先借助于通用的三维造型软件如Pro/E、UG、Solidworks、CAD等进行三维造型，然后采用通用的STL文件格式接口进行衔接，然后进
36、行网格剖分。网格自动剖分是基于有限差分均匀正交网格的剖分，实际上使用尺寸相同的小立方体去近似被剖分的实体，近似程度与实体的复杂程度和小立方体的数量有关。计算分析模块是对前处理模块剖分所得的离散模型进行各物理场模拟分析。计算分析模块一般包括如下步骤：首先要将数学模型进行离散，求出前处理模块所得到的离散模型所对应的离散格式；然后设置对应的初始条件和边界条件；最后进行求解并保存各物理场的分布情况12。此外计算分析模块是将液态金属充型凝固过程看作是不可压缩粘性流体的流动来进行多物理场的分析，它可以由动量方程、连续性方程、能量方程以及体积函数来描述。动量方程为：连续性方程为： 能量方程为：体积函数为：
37、式中u、v、w分别为网格点(x,y,z)流速在三个坐标轴方向上的速度矢量分量；gx、gy、gz分别为重力加速度在三个坐标轴方向上的分量；为流体的密度；为流体的运动粘度；t为时间；F为体积函数；为比热；T为温度；为导热系数；Q为源项13。华铸CAE后处理软件是将凝固过程中铸件温度场和流动场等繁杂数据，通过直观逼真的可视化、动画化的图形图像工具，即显示表达模块，使用户能直接观察到计算和仿真的结果。后处理模块表达的内容主要包括：铸件几何形状、铸型工艺结构、铸件铸型浇注凝固过程色温变化、铸件温度梯度分布、铸件凝固过程液相分布及相变细节、铸件浇注过程体积填充情况、铸件浇注过程速度场、压力场的分布、变化、
38、凝固时间次序等。3.3 华铸CAE对挂舵臂铸造过程温度场的模拟铸造凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸造工艺优化设计，实现铸件质量预测和控制，其中缩孔、缩松预测是一个重要内容。温度场是判断铸件缩孔、缩松的基础，它在铸件凝固过程中起着决定性作用。接下来利用华铸CAE对挂舵臂铸造过程温度场进行模拟，预测其缩孔、缩松，实现工艺优化。图3-1为温度场计算分析流程图。图3-1 温度场计算分析流程图3.3.1 STL文件的前置处理前处理模块包含造型和网格剖分两大部分。华铸CAE不具有三维造型能力，利用Solidworks三维造型软件生成铸件以及冒口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出ST
39、L格式文件作为接口文件，输入的STL文件有：铸件、铸型、冒口、冒口套、冷铁、浇注系统等。华铸CAE前处理模块提供“优先级别”功能，这样可以大大减少三维造型的工作量。设置挂舵臂铸件、冒口、冒口套、冷铁、浇注系统的优先级高于铸型，造型时保证工艺装配模型有足够吃砂量的情况下生成一个六面体铸型，在前处理模块“优先级别”功能下，装配后的铸件部分被自动从铸型中“挖空”，进而产生有型腔的铸型，节约了造型时间。华铸CAE采用的是直六面体网格，正常情况下，一个铸件网格与周围的铸件网格至少有一个面相接触。为避免出现大量完全线接触网格，挂舵臂铸件最薄处为56mm，取网格大小28mm，网格剖分结果如图3-2所示。图3
40、-2 网格剖分3.3.2 温度场的计算分析液态金属浇入铸型后，其温度不断下降，铸型受热温度上升，热量从一部分传送到另一部分。实践证明，从浇注充填到凝固冷却，铸件铸型系统的传热过程是通过高温金属的辐射换热、液体金属与铸型的对流换热（包括铸型表面与大气的对流换热）、金属向铸型导热等三种方式综合进行的。铸件凝固过程数值模拟计算依据的基本数学模型是不稳定导热偏微分方程14。方程式如下：式中，表示金属液密度；为比热容；为时间。温度场计算分析模块先要进行初始条件和边界条件的设置，在此基础上对前处理所得差分网格系统进行温度场分析。1. 温度场的初始化初始条件是指0时刻的温度分布，华铸CAE纯凝固计算只考虑凝
41、固过程温度场的计算，而不考虑充型的影响，基于“瞬间充型，初温均布”假设。温度场初始化物性参数设置如表3-2所示，温度场基础参数为：铸件材质KSC49，潜热260.4J/g，环境温度为25，液相线温度1509，固相线温度1461，合金凝固系数1.3，辐射系数0.375，粘度0.06cm2/s15。表3-2 温度场初始化物性参数物性参数铸件铸型冒口套空气密度(g.cm-3)7.61.550.80.0012热容(J.g-1.-1)3.4931.0920.631.008导热系数（J.cm-1.s-1.-1)0.2230.0080.00340.0546初始温度()15562525252. 边界条件的确定
42、关于边界条件，按凝固过程不同的冷却条件主要遇到铸件-铸型边界和铸型-大气界面。铸件在凝固时体积逐渐收缩，铸型受热膨胀。铸件、铸型之间存在气层，使铸件-铸型边界产生温差。铸型-大气界面一般也要产生温差，砂型铸造时因砂型外表面温度较低，一般只考虑自然对流换热。温度场界面参数如表3-3所示：表3-3 温度场界面参数（J.cm-2.s-1.-1 ）铸件铸型冒口套冷铁铸件0.9660.00420.336铸型0.9660.00420.336冒口套0.00420.00420.0042冷铁0.3360.3360.00423. 临界固相线温度的确定在铸件的凝固过程中，各个单元的凝固情况可以通过一个临界固相率来判
43、断其凝固的情况。在凝固开始时的铸件单元的固相率为0，当铸件单元完全凝固时的固相率是1，在CAE参数设定时利用的是临界固相率概念。一般取铸件的临界固相率为0.65，与此固相率所对应的温度称为临界温度。临界温度指金属液失去了流动性时的温度，一般取液、固相线温度差的65%75%。本次模拟临界固相线温度，得临界固相线温度值为1475。由此可计算，当铸型内任何部位的金属液温度低于此温度时，可认为铸件已经完全凝固。4. 缩孔、缩松的判据在华铸软件中，对于缩松出现部位是用判据（也称判据）进行判断，式中G为温度梯度，R为冷却速度。为了预测缩松，计算三维温度场中每一个节点相邻26个单元的G、R值，取最大值代表枝
44、晶间补缩能力。当铸件单元的值小于某一临界值时，该单元可能出现缩松，所有可能出现缩松的单元的集合就表示缩松的分布16。对于中大型铸钢件，临界值在2.03.0之间17。3.3.3 模拟结果显示与分析后处理模块通过对凝固过程液相分布的时序动画，可以显现凝固过程相变的细节，根据相变细节及相应的判据18，可以得出铸件缩孔缩松倾向及位置的判断，并为改进工艺提供依据，从而达到改进工艺优化工艺的目的。图3-3分别显示的是凝固阶段不同时刻的液相分布图（绿色为固相，红色为液相）。图3-3 a)是刚开始凝固0s的凝固状态,表示钢液刚充满型腔。图3-3 b)可以看出铸件先从铸件小头端底部和大头端开始凝固。图3-3 c
45、)可以进一步看出铸件从小头端向大头端凝固，并且可以看出大头端凝固缓慢。图3-3 d)可以看出铸件脊梁处和底部已经出现孤立的液相区，这可能是由于补缩通道不畅通造成的。从图3-3 e)、图3-3 f)可看出这种情况进一步加剧，在筋板处可能出现大面积缩孔、缩松危险区，存在严重的缩孔、缩松倾向。 a) 凝固时间为0s b) 凝固时间为3247s c) 凝固时间为5187s d) 凝固时间为6979s e) 凝固时间为7464s f) 凝固时间为10935s3-3 原始工艺的凝固过程照片3.4 挂舵臂铸造工艺优化在上一章节中预测，筋板的根部相对于厚度均匀的流线型侧面为热节部位。热节部位凝固时，树枝状晶体
46、形成骨架时分隔其了包围的液体部分，进而形成微观缩松，模拟结果证实了预测。从模拟结果可以看出两块筋板处有孤立液相区存在，而铸件的大小和形状决定了不便于增加冒口数量来进行补缩，所以考虑设置冷铁，造成激冷的趋势，改变此处的温度梯度，从而实现和加强铸件的顺序凝固。在两块筋板下部分别设置外冷铁，厚度为40mm，最薄边缘处20mm，边缘到中心倒角100250mm，为了操作方便，把冷铁切成4000090000mm2大小的冷铁，分布间隙控制在10mm以内。冷铁的形状和板筋相同。由于钢冷铁的蓄热能力大，可吸收较多的能量，激冷能力强，故冷铁的材质和铸件一致。 a) 凝固时间为0s b) 凝固时间为3247s c) 凝固时间为5187s d) 凝固时间为6979s e) 凝固时间为7464s f) 凝固时间为10935s图3-4 优化工艺的凝固过程照片图3-4为优化后工艺的模拟结果，通过与原始工艺各个时刻的液相分布照片对比，可以明显看出在筋板下部设置
