华铸cae软件在金属型铸造中的应用(一)

摘要:随着计算机硬件水平的提高,铸造ｃａｅ软件对实际生产的指导作用越来越显著。本文介绍了华铸ｃａｅ软件金属型模块的基本功能和原理,并给出了在铝合金轮毂铸件上的应用实例,应用表明该软件能够准确地预测铝合金轮毂铸件中的缩松缩孔等铸造缺陷,辅助 工艺人员进行工艺优化,指导实际铸件生产。 关键词:华铸ｃａｅ;金属型;铸造缺陷
　　铸造过程数值模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造技术,对降低产品 成本、提高铸造企业 竞争力有着不可替代的作用,它的应用和推广必将为铸造行业带来很大的 经济效益和社会效益。
国内外许多 通用的商品软件如德国的ｍａｇｍａ、美国的ｐｒｏｃａｓｔ、ｆｌｏｗ 3ｄ、清华大学的ｆｔ ｓｔａｒ、华中科技大学的华铸ｃａｅ等都能够有效地预测铸件缩孔类缺陷,其准确性基本上达到了定量的程度。充型过程的数值模拟其理论和算法也趋于完善,对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、卷气、夹渣等也能够进行有效的定性的预报。对于应力场以及 组织模拟也取得了一些可喜的进展。下面先介绍华铸ｃａｅ软件金属型模块的原理和基本功能,在此基础上介绍其应用实例。
1　华铸ｃａｅ软件金属型模块概况
金属型铸造有其自身的特点,这些特点在数值模拟软件中要加以考虑。下面将谈谈如何利用华铸ｃａｅ软件优化铸件工艺的流程、华铸ｃａｅ软件的数学模型以及华铸ｃａｅ软件金属型模块的基本功能。
1 1　利用华铸ｃａｅ软件优化工艺流程
铸造过程数值模拟软件一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、冷铁以及铸型等的三维造型和网格剖分;计算分析模块是对铸件/铸型系统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。现阶段的 铸造数值模拟软件一般借助于通用的三维造型软件如ｐｒｏ/ｅ、ｕｇ、ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ等进行三维造型并通过文件接口进行衔接,通常采用ｓｔｌ文件格式。图1显示的是采用华铸ｃａｅ软件优化工艺的流程。

1 2　华铸ｃａｅ软件的数学模型

华铸ｃａｅ软件主要包括流动场和温度场的数值模拟,而液态金属充型凝固过程可看作是不可压缩粘性流体的流动,它可以由动量方程、连续性方程及能量方程来描述。

动量方程

上述各式中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,ｍ/ｓ;ｇｘ,ｇｙ,ｇｚ分别为重力加速度在三个坐标轴方向上的分量,ｍ/ｓ2;ρ为流体的幂度,ｋｇ/ｍ3;ｖ是流体的运动粘度,ｍ2/ｓ;ｔ是时间,ｓ;ｆ为体积函数;ｃｐ为比热容,ｊ/(ｋｇ·ｋ);ｔ为温度,ｋ;λ为热导率,ｗ/(ｍ·ｋ);ｑ为源项。

华铸ｃａｅ软件系统采用了有限差分法〔1,2〕,其流动场数值分析是基于ｓｏｌａ ｖｏｆ方法。该ｃａｅ软件系统是用体积函数即方程(6)来跟踪自由边表面的位置,另外该系统采用惯性原理和连续性原理相结合的方法比较合理地处理了自由表面的速度边界条件〔3～9〕。

1 3　华铸ｃａｅ软件金属型模块基本功能华铸ｃａｅ软件金属型模块包括前处理、计算分析、后处理3大块以及其他5个辅助功能,能够进行充型过程流动场模拟、充型过程流动场温度场耦合分析、凝固过程模拟以及凝固和重力补缩过程模拟,能够预测模温以及充型凝固过程相关的铸造缺陷。