專利名稱：一種金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法及縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法及縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
鑄件的凝固過(guò)程除了固液界面遷移外，還伴隨著傳熱、傳質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，鑄件的許多缺陷都與凝固過(guò)程密切相關(guān)。鑄件凝固過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真模擬，可以形象描述這一變化過(guò)程， 對(duì)于分析鑄造缺陷、預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量、優(yōu)化鑄造工藝有積極的作用。目前計(jì)算機(jī)在模擬鑄造過(guò)程中的應(yīng)用主要集中在以下4個(gè)方面充型凝固模擬、 縮孔縮松預(yù)測(cè)、凝固過(guò)程應(yīng)力模擬和凝固過(guò)程微觀組織模擬。其中，縮孔縮松預(yù)測(cè)尤其重要。為了預(yù)測(cè)鑄件縮松的產(chǎn)生及其程度(縮松形狀、尺寸)，考慮縮松生成的機(jī)理凝固解析是必要的，但是嚴(yán)密的解析非常困難，實(shí)際上往往采用以下幾種簡(jiǎn)易方法來(lái)預(yù)測(cè)它們的產(chǎn)生1、等溫度、等固相率曲線法。(1)固相線溫度法，判斷縮松產(chǎn)生的條件是發(fā)生在& =1的閉回路中；O)臨界固相率法，判斷縮松產(chǎn)生的條件是發(fā)生在gs = gsc的閉回路中。 但是以上方法在閉回路不存在時(shí)難以判斷。2、溫度梯度法，判斷縮松產(chǎn)生條件是1或 gs = gsc時(shí)的最大溫度G彡臨界值。該方法比較簡(jiǎn)便，但是由于臨界溫度梯度隨形狀、冷卻速率而異，所以預(yù)測(cè)精度很低。3、固相率梯度法。判斷縮松產(chǎn)生條件是& = 1或& = gsc 時(shí)的最大固相率<臨界值。該方法比較適合共晶合金凝固過(guò)程的縮松預(yù)測(cè)；當(dāng)固相率和溫度的關(guān)系為1對(duì)1時(shí)與溫度梯度發(fā)生等同。目前主要應(yīng)用的預(yù)測(cè)縮松的判據(jù)是G/、/反< C，其中G是溫度梯度(K/cm)，R是冷卻速率(K/min)，C是臨界值。但是該方法對(duì)合金凝固過(guò)程縮松預(yù)測(cè)的精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)合金凝固過(guò)程縮松預(yù)測(cè)的精度較低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法及縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法，該方法對(duì)合金液凝固過(guò)程縮松預(yù)測(cè)的精度高，并且應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明公開的金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法，包括(1)、獲取金屬液的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；O)、選取進(jìn)行預(yù)測(cè)的單元為當(dāng)前單元，結(jié)合所述溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價(jià)冷卻速率R1以及補(bǔ)縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)P.GV .ed /λ/Ι SC進(jìn)行判斷，
如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當(dāng)前單元為縮松單元；其中，e為自然對(duì)數(shù)底。此外本發(fā)明還公開了一種縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法，包括(a)、計(jì)算金屬液的溫度場(chǎng)；
(b)、根據(jù)溫度場(chǎng)確定金屬液是否即將凝固，如果確定不是即將凝固，則返回步驟 (a)繼續(xù)計(jì)算溫度場(chǎng)；如果確定即將凝固，則根據(jù)前述方法進(jìn)行判斷。通過(guò)上述方法，對(duì)金屬液凝固過(guò)程中縮松預(yù)測(cè)的精度高。并且該方法可以對(duì)各種晶體或非晶合金熔液的凝固過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，應(yīng)用范圍廣。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖
及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明公開的金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法，包括(1)、獲取金屬液的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；O)、選取進(jìn)行預(yù)測(cè)的單元為當(dāng)前單元，結(jié)合所述溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價(jià)冷卻速率R1以及補(bǔ)縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)=P-GrecVi1 SC進(jìn)行判斷，
如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當(dāng)前單元為縮松單元；其中，e為自然對(duì)數(shù)底。即e在本發(fā)明中取值為2. 71828。根據(jù)本發(fā)明公開的上述方法，與現(xiàn)有的縮松判據(jù)相比，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，引入了另一金屬液的壓力P作為判據(jù)影響因素，能提高判斷的準(zhǔn)確性。同時(shí)，本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)金屬液凝固過(guò)程中的各種因素的綜合分析，提出了以粘度梯度Gv作為判據(jù)的一大影響因素，并創(chuàng)
造性的結(jié)合補(bǔ)縮距離d，增加新的參數(shù)ed，從而形成了上述判據(jù)P.Gv^dZVI1 SC。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在金屬液凝固過(guò)程中，金屬的補(bǔ)縮距離對(duì)其凝固過(guò)程也有較大影響。作為金屬的特定屬性，金屬的補(bǔ)縮距離越大，金屬液凝固過(guò)程中產(chǎn)生縮松缺陷時(shí)越容易得到補(bǔ)縮。對(duì)于現(xiàn)有的判據(jù)，未考慮補(bǔ)縮距離，即可等效于本發(fā)明公開的判據(jù)中補(bǔ)縮距離為0，此時(shí)相當(dāng)于默認(rèn)金屬的補(bǔ)縮距離為0，與實(shí)際情況不符。在本發(fā)明中，通過(guò)增加新的參數(shù)ed來(lái)考慮補(bǔ)縮距離，金屬的補(bǔ)縮距離越大，通過(guò)上述判據(jù)計(jì)算出的預(yù)測(cè)值也越大，符合補(bǔ)縮距離越大，越容易得到補(bǔ)縮的實(shí)際情形。大大提高了預(yù)測(cè)精度。在引入壓力P和Gv并結(jié)合ed對(duì)判據(jù)進(jìn)行修正后，對(duì)金屬液凝固過(guò)程中縮松產(chǎn)生的預(yù)測(cè)精度極大的提高了。并且，相比于傳統(tǒng)的固相率梯度判據(jù)，本發(fā)明通過(guò)采用在本領(lǐng)域未嘗使用過(guò)的粘度梯度判據(jù)，能對(duì)包括晶體、非晶等各種形態(tài)的金屬的凝固過(guò)程實(shí)現(xiàn)縮松預(yù)測(cè)，并且等價(jià)冷卻速率不受金屬晶體形態(tài)的影響， 擴(kuò)大的應(yīng)用的范圍；預(yù)測(cè)的精度也得到了進(jìn)一步提高。采用本發(fā)明公開的方法對(duì)金屬液凝固過(guò)程中縮松情況進(jìn)行判斷后，有利于技術(shù)人員對(duì)金屬的熔煉工藝進(jìn)行調(diào)整。在上述判據(jù)中，壓力P的單位為Pa，粘度梯度Gv的單位為kg/(m2. s)，等價(jià)冷卻速率R1的單位為K/min，補(bǔ)縮距離d的單位為mm。在本發(fā)明中，步驟a中溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可通過(guò)現(xiàn)有的各種方法得到，如可以通過(guò)傳熱學(xué)基本方程計(jì)算得到。鑄件凝固過(guò)程實(shí)際上是“鑄件-鑄型-環(huán)境”之間的不穩(wěn)定熱交換過(guò)程。在鑄件凝固過(guò)程中基本上包括了傳熱中的所有現(xiàn)象熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。在液態(tài)金屬注入鑄型后，液態(tài)金屬內(nèi)部的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)鑄件的表面，然后通過(guò)熱輻射和熱傳導(dǎo)傳遞給鑄型，再通過(guò)熱傳導(dǎo)到達(dá)鑄型的外表面，最后通過(guò)熱輻射和對(duì)流散發(fā)到環(huán)境中。與此同時(shí)鑄型型腔內(nèi)液態(tài)金屬的溫度不斷下降，且溫度不均勻。這種不均勻性造成了鑄型型腔中的液態(tài)金屬的熱對(duì)流。下面分別對(duì)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射進(jìn)行說(shuō)明。1、熱傳導(dǎo)換熱熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱，它屬于接觸傳熱，是連續(xù)介質(zhì)在沒有物質(zhì)之間各部分相對(duì)位移的情況下，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱振動(dòng)進(jìn)行的熱量傳遞。在密實(shí)的不透明的固體中，只能依靠導(dǎo)熱方式傳遞熱量。對(duì)于多維溫度場(chǎng)的確定，須以能量守恒和傅立葉定律為基礎(chǔ)，分析導(dǎo)熱體中的微元體，得出表示導(dǎo)熱現(xiàn)象基本規(guī)律的三維熱傳導(dǎo)的微分方程
權(quán)利要求
1.一種金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法，包括(I)、獲取金屬液的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；O)、選取進(jìn)行預(yù)測(cè)的單元為當(dāng)前單元，結(jié)合所述溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前單元的壓力P、 粘度梯度Gv、等價(jià)冷卻速率R1以及補(bǔ)縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)^GretVi1 進(jìn)行判斷，如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當(dāng)前單元為縮松單元；其中，e為自然對(duì)數(shù)底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟(1)中溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)傳熱學(xué)方程計(jì)算得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述通過(guò)傳熱學(xué)方程計(jì)算溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法包括(II)、選取任一單元，基于上一時(shí)刻的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，得出該單元上一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)； 然后通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射計(jì)算該單元從上一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的總熱量變化值，通過(guò)該總熱量變化值，采用溫度變化方程計(jì)算該單元從上一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的溫度變化值；再基于上一時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)和從上一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的溫度變化值，得到該單元當(dāng)前時(shí)刻的溫度數(shù)據(jù)；所述溫度變化方程為ΔΤ = -β-，CpV其中Q為總熱量變化值，單位為J，C為金屬的比熱，單位是kJ/kg*°C，P為金屬的密度，單位是kg/m3，V為當(dāng)前單元的體積，單位是m3 ；(12)、重復(fù)步驟(11)，對(duì)金屬液的所有單元按溫度變化方程進(jìn)行計(jì)算，得到金屬液的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述壓力為當(dāng)前單元的金屬液靜壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述粘度梯度Gv的獲取方法為選取與當(dāng)前單元相鄰的26個(gè)相鄰單元，所述沈個(gè)相鄰單元為與當(dāng)前單元面相鄰的6 個(gè)單元，與當(dāng)前單元棱相鄰的12個(gè)單元和與當(dāng)前單元頂點(diǎn)相鄰的8個(gè)單元，當(dāng)前單元與各個(gè)相鄰單元的距離是當(dāng)前單元中心點(diǎn)與相鄰單元中心點(diǎn)之間的距離； 獲得當(dāng)前單元及26個(gè)相鄰單元的粘度值；取當(dāng)前單元與其中一個(gè)相鄰單元的粘度值之差除以當(dāng)前單元與該相鄰單元的距離，得到一個(gè)商值，重復(fù)該步驟，然后取最大的商值為粘度梯度Gv。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，獲取當(dāng)前單元及沈個(gè)相鄰單元的粘度值的方法為結(jié)合溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，分別獲取當(dāng)前單元及26個(gè)相鄰單元的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)前單元及沈個(gè)相鄰單元的溫度數(shù)據(jù)，分別獲得當(dāng)前單元及26個(gè)相鄰單元的粘度值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述當(dāng)前單元的等價(jià)冷卻速率R1的獲取方法為 將當(dāng)前單元在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)釋放的潛熱換算成當(dāng)前單元在該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)溫度的等價(jià)降低值，取該等價(jià)降低值與該單元實(shí)際溫度的實(shí)際降低值之和，然后除以所述時(shí)間步長(zhǎng)，得到當(dāng)前單元的等價(jià)冷卻速率R1。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述臨界值C的獲取方法為針對(duì)固定的金屬材料，基于固定的模型和壓鑄工藝條件，進(jìn)行實(shí)際壓鑄，得到鑄件；對(duì)鑄件進(jìn)行剖分確定鑄件內(nèi)部縮松的位置；然后，設(shè)定預(yù)測(cè)臨界值，采用基礎(chǔ)判據(jù)P-Gv/^! <C進(jìn)行模擬分析，獲得包括縮松位置的模擬結(jié)果，將模擬結(jié)果與鑄件內(nèi)部縮松的位置進(jìn)行對(duì)照，如果模擬結(jié)果與實(shí)際鑄件中縮松的位置不相同，則調(diào)整預(yù)測(cè)臨界值，再進(jìn)行模擬；如果模擬結(jié)果與實(shí)際鑄件中縮松的位置相同，則該預(yù)測(cè)臨界值即為臨界值C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述補(bǔ)縮距離d的獲取方法為針對(duì)固定的金屬材料，基于固定的模型和壓鑄工藝條件，進(jìn)行實(shí)際壓鑄，得到鑄件；對(duì)鑄件進(jìn)行剖分確定鑄件內(nèi)部縮松的位置；然后，根據(jù)獲取的臨界值C，設(shè)定預(yù)測(cè)補(bǔ)縮距離，采用判據(jù)P.GV ^ed/V^1 進(jìn)行模擬分析，獲得包括縮松位置的模擬結(jié)果，將模擬結(jié)果與鑄件內(nèi)部縮松的位置進(jìn)行對(duì)照，如果模擬結(jié)果與實(shí)際鑄件中縮松的位置不相同，則調(diào)整預(yù)測(cè)補(bǔ)縮距離，再進(jìn)行模擬；如果模擬結(jié)果與實(shí)際鑄件中縮松的位置相同，則該預(yù)測(cè)補(bǔ)縮距離即為補(bǔ)縮距離d。
10.一種縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法，包括(a)、計(jì)算金屬液的溫度場(chǎng)；(b)、根據(jù)溫度場(chǎng)確定金屬液是否即將凝固，如果確定不是即將凝固，則返回步驟(a) 繼續(xù)計(jì)算溫度場(chǎng)；如果確定即將凝固，則根據(jù)權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的方法進(jìn)行判斷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法及縮松連續(xù)預(yù)測(cè)方法，所述金屬液凝固過(guò)程中預(yù)測(cè)縮松的方法包括(1)獲取金屬液的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)；(2)選取進(jìn)行預(yù)測(cè)的單元為當(dāng)前單元，結(jié)合所述溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取當(dāng)前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價(jià)冷卻速率R1以及補(bǔ)縮距離d和臨界值C；(3)根據(jù)獲得的P、Gv、R1、d以及C值，按照判據(jù)進(jìn)行判斷，如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當(dāng)前單元為縮松單元；其中，e為自然對(duì)數(shù)底。通過(guò)上述方法，對(duì)金屬液凝固過(guò)程中縮松預(yù)測(cè)的精度高。并且該方法可以對(duì)各種晶體或非晶合金熔液的凝固過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102236726SQ20101016030
公開日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者吳波, 孫亞軒, 郝良品 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司