[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

摘要

本发明涉及一种模拟铸铁砂型铸造浇铸过程的优化预测方法，是针对铸铁在砂型模具内充型过程中渣团运动不规则的情况，对渣团随金属液在砂型模具内充型过程中的运动轨迹进行预测，通过建立模型、程序计算，预测了渣团运动轨迹，优化浇注系统，为预防和消除铸件缺陷提供了理论依据，此优化计算、预测方法通用合理、计算速度快，模拟结果准确，适合铸铁件在重力铸造下渣团运动轨迹的预测，优化浇注系统，避免铸件产生缺陷，是先进的黑色金属重力铸造金属液充型过程中渣团运动轨迹预测方法。

主权项

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：ρi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,ρj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，mj表示粒子j的质量，Vij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：Fi＝Fp+Fn+Fw式中：Fi表示粒子i所受合力，Fp表示粒子i所受压力,Fn表示粒子i所受粘性力,Fw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，mj表示粒子j的质量，pi pj分别表示粒子i和j的压力值，通过求解状态方程获得，ρi表示粒子i的密度,ρj表示在粒子i支持域内与其相互作用的粒子j的密度，ξi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，rij表示粒子间位置差，rij2表示粒子间距离的平方，Vij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，mj表示粒子j的质量，pi pj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，ρi表示粒子i的密度,ρj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，rij表示粒子间位置差，rij2表示粒子间距离的平方，表示光滑函数的导数，ξi、ξj分别表示粒子i和j的动力粘性系数，Vij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。