[发明专利]一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法

权利要求书

1.一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法，其特征在于：

铸铁砂型铸造过程中，在重力作用下，渣团运动轨迹的预测方法如下：

(1).预制铸铁曲轴样件

①制备曲轴铸件用砂型，造型材料采用呋喃树脂砂，浇口处设置氧化锆滤网；

②熔炼制备铸铁熔液

称取铸铁6kg±0.1kg，置于熔炼坩埚中，加热至1350℃±5℃，采用六氯乙烷除气，随后除渣，静置5min后，待用；

③重力铸造

将铸铁熔液静止后通过砂型铸模浇口注入砂型型腔进行充型，充型后静置30min；

④冷却

浇铸后，将砂型铸模及其内的铸件埋于细砂中冷却至25℃；

⑤开模取出曲轴铸件

⑥清理铸件表面

用金属刷清理铸件表面，用机械切除余头，然后用砂纸打磨铸件表面，曲轴铸件成型；

(2).建立渣团运动轨迹预测模型

基于光滑粒子流体动力学计算方法，建立粒子间相互作用的数学模型，找出铸造充型过程中固液两相流动规律，模拟金属熔液渣团流动过程；

采用计算机程序对金属液、渣团和边界进行粒子化，在计算机内存中预留容量，进行初始粒子的属性配置，对三种不同属性粒子分别进行质量、密度、初始速度、粘度的设置；配置粒子属性后，进行光滑长度L计算,时间步长Δt的设置；

①建立相互作用粒子的搜索方法

确定支持域内相互作用的粒子，并进行配对，具体过程如下：

1)在计算区域上铺一层网格，网格边长尺寸为光滑长度L的3倍，粒子分布在各个网格的胞元内，并对每个胞元进行编号；

2)分别对每个粒子的支持域内与其相互作用的粒子进行搜索配对，在搜索过程中，只在比粒子所在胞元编号大的胞元范围内搜索配对，避免重复搜索，对于支持域内配对成功的粒子，从编号1开始依次编号；

3)在每个时间步长计算完成后，重新进行粒子的配对；

②在预测的基础上，经过前二分之一时间步长后，对金属液粒子和渣团粒子的速度、位置进行修正；

具体步骤如下：

1)金属液粒子和渣团粒子密度变化的计算：

根据连续计算方程，对任意金属液粒子i进行密度计算，通过对i粒子支持域内与其相互作用粒子的质量和速度差值的一个累加运算，获得金属液粒子i的密度变化，表达式如下：

dρidt=ρiΣj=1NmjρjVij·∂Wij∂Xi]]>

式中：ρ_i表示粒子i的密度,t表示时间，表示对粒子i求解密度对时间的导数,ρ_j表示在粒子i支持域内与其相互作用的粒子j的密度，表示对i粒子支持域内与其相互作用的粒子加权求和，N表示支持域内与i粒子相互作用的粒子的总数，m_j表示粒子j的质量，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示光滑函数的导数；

对于渣团粒子，在计算过程中保持密度不变；

2)金属液粒子和渣团粒子所受作用力的计算：

对于金属液粒子和渣团粒子，任意i粒子所受的作用力为压力、粘性力、外力，表达式如下：

F_i＝F_p+F_n+F_w

式中：F_i表示粒子i所受合力，F_p表示粒子i所受压力,F_n表示粒子i所受粘性力,F_w表示粒子i所受外力；

当相互作用的粒子为同类粒子，同为金属液粒子或同为渣团粒子：

Fp=-Σj=1Nmj[pi+pjρj+ρiΠ]∂Wij∂Xi]]>

Fn=Σj=1Nmj(2ξirijρjrij2)Vij∂Wij∂Xi]]>

Fw=gΣj=1Nmj∂Wij∂Xi]]>

式中：表示对i粒子支持域内与其相互作用的粒子加权求和，N表示支持域内与i粒子相互作用的粒子的总数，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρ_i表示粒子i的密度,ρ_j表示在粒子i支持域内与其相互作用的粒子j的密度，ξ_i表示粒子i动力粘性系数,g表示粒子的重力加速度,表示光滑函数的导数，r_ij表示粒子间位置差，r_ij²表示粒子间距离的平方，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差，Π表示粒子的人工粘度；

当相互作用粒子为不同类粒子，金属液粒子和渣团粒子，对其压力项、粘性力及外力进行相应修正：

Fp=-Σj=1Nmj[piρi+ρipjρj2-θ(ρi2+ρj2)ρj]∂Wij∂Xi]]>

Fn=Σj=1Nmj(4ξiξjrij(ξi+ξj)rij2ρj)Vij∂Wij∂Xi]]>

Fw=gΣj=1N(mj+K((1rij)12-(1rij)6)rijrij2)∂Wij∂Xi]]>

式中：表示对i粒子支持域内与其相互作用的粒子加权求和，N表示支持域内与i粒子相互作用的粒子的总数，m_j表示粒子j的质量，p_i p_j分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，θ是个系数，取值为0.2，ρ_i表示粒子i的密度,ρ_j表示在粒子i支持域内与其相互作用的粒子j的密度，g表示粒子的重力加速度,K是一个常系数，表示的是相互作用力大小的参数，r_ij表示粒子间位置差，r_ij²表示粒子间距离的平方，表示光滑函数的导数，ξ_i、ξ_j分别表示粒子i和j的动力粘性系数，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差；

3)在经过前二分之一时间步长后，对金属液粒子和渣团粒子进行速度和位置的修正，具体步骤如下：

获得金属液粒子和渣团粒子的密度、压力、粘性力、外力、合力值，进而求得加速度；在经过前二分之一时间步长后，金属液粒子和渣团粒子的速度及位置进行如下修正：

金属液粒子和渣团粒子在时刻的修正速度值等于其在n时刻的速度值加上加速度乘以二分之一时间步长，金属液粒子和渣团粒子在时刻的修正位置值等于其在n时刻的位置值加上其在时刻的修正速度值乘以二分之一时间步长，其中n表示当前计算时刻；

③在经过一个时间步长后，对金属液粒子和渣团粒子的速度、位置进行计算；

金属液粒子和渣团粒子在n+Δt时刻的速度值等于其在时刻的修正速度值乘以二减去其在n时刻的速度值，金属液粒子和渣团粒子在n+Δt时刻的位置值等于其二倍的修正位置值减去其在n时刻的位置值，其中n表示当前计算时刻；

一个时间步长计算完成后，重新进行粒子的搜索配对和粒子速度、位置的计算，直至充满型腔，并得到渣团随金属液流动的运动轨迹；

④预测结果

在将金属液和渣团离散成粒子时，粒子数量为1000108个，数值模拟结果表明有渣团进入铸件内部，根据模拟结果，优化浇铸系统设计，设计集渣包，经过再次模拟计算，渣团分布到集渣包中，未进入到铸件内。

2.根据权利要求1所述的一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法，其特征在于：砂型模具(4)为矩形，上部设有浇铸口(5)，浇铸口(5)对准模具L形型腔(6)，并连通，模具L形型腔(6)内为铸铁溶液(7)，铸铁溶液冷却后为铸铁曲轴铸件。