[發明專利]一種顆粒增強鋁基復合材料鑄造性能的計算機模擬方法

無效

• 申請號: 200910031332.5
• 申請日: 2009-05-08
• 公開（公告）號: CN101567019A
• 公開（公告）日: 2009-10-28
• 發明（設計）人: 趙玉濤;蘇大為;陳剛
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 盧亞麗

技術領域

本發明涉及一種鑄造模擬技術在顆粒增強金屬基復合材料鑄造性能研究上的應用，尤其是涉及一種在顆粒增強鋁基復合材料復雜構件鑄造性能研究上的鑄造模擬技術。

背景技術

金屬基復合材料由于融合了金屬與陶瓷、金屬與金屬間化合物的特性，因此既具有優異的力學性能，又具有導電、導熱、耐磨損、尺寸穩定等一系列金屬特性，是一種優良的結構材料。在航空、航天、航海、建筑、醫療、電子和其它工業部門應用前景廣闊，已成為近年來納米復合材料及金屬功能材料中的研究熱點之一。其中顆粒增強鋁基復合材料在交通行業的應用日漸廣泛，顆粒增強鋁基復合材料應用在汽車上，可減輕汽車重量，并提高其性能，而且可節油、減少污染和延長使用壽命。但是，由于增強顆粒的存在導致復合材料粘度增加，流動性下降，鑄造凝固過程與一般合金有很大的差異，更容易產生縮松、縮孔等鑄造缺陷，對于復雜構件的成形技術更存在大量問題。而目前對顆粒增強鋁基復合材料復雜構件的生產主要采用傳統的試錯法，這樣增加生產成本，往往成品率不高，且沒有形成科學系統的分析體系，這些均限制了顆粒增強鋁基復合材料的工業化生產。鑄造性能問題是顆粒增強鋁基復合材料應用的主要瓶頸，其控制技術也成為突破顆粒增強鋁基復合材料實際應用的關鍵技術。鑄造行業利用計算機可視化技術顯示鑄件充型及凝固的過程，從而有針對性的優化鑄造工藝、消除鑄造缺陷、提高成品率，縮短新產品的開發周期、降低成本，是一種有效的分析研究方法。但該技術在顆粒增強鋁基復合材料鑄造性能和工藝優化分析研究上的應用尚無，因此開發適合顆粒增強鋁基復合材料復雜構件鑄造性能研究分析的鑄造模擬技術具有很大的實際應用價值。

鑄造模擬技術在顆粒增強鋁基復合材料鑄造性能分析及工藝優化上的應用技術國內尚未見報道。

發明內容

本發明的目的是，針對顆粒增強鋁基復合材料鑄造性能的特殊性，開發適合顆粒增強鋁基復合材料復雜構件鑄造性能研究分析及工藝優化的鑄造模擬方法，突破復合材料實際應用瓶頸，實現其工業化生產。

本發明的目的是通過以下技術方案得以實現。

一種顆粒增強鋁基復合材料鑄造性能的計算機模擬方法，包括以下步驟：

獲取輸入計算機的待分析的鋁基復合材料的增強顆粒的體積分數或質量分數，以及基體成分的質量分數；

使用上述數據通過金屬基復合材料性能計算程序計算并確定金屬基復合材料物性參數；

對待鑄造構件空間結構網格進行劃分，并確定鑄造工藝的邊值條件；

把上述各邊值條件以及冷卻參數附值進行流場、溫度場的計算；

根據計算結果進行材料鑄造性能分析；如果鑄造性能不合理，再通過調整鑄造工藝、不同體積分數(或質量分數)的增強顆粒的添加量，或在允許的合金含量范圍內調整合金的含量，重新計算，直至獲得合理的顆粒增強金屬基復合材料的鑄造性能。

在上述步驟中，要通過金屬基復合材料性能計算程序計算并確定金屬基復合材料物性參數；有必要建立顆粒增強金屬基復合材料物性參數數據庫，

1)金屬基復合材料物性參數的確定

鑄造模擬基于ESI公司的ProCAST計算工具，但該軟件并無金屬基復合材料的物性參數數據庫，因此有必要對其進行顆粒增強金屬基復合材料物性參數數據庫的開發。由于復合材料中含有一定體積分數的增強顆粒，材料的熱物理性質、凝固潛熱釋放都發生了變化，這里將復合材料看作顆粒與基體的混合體，根據Stefanescu?D.M提出的復合材料性能混合準則對熱物性參數作出如下修正：

①復合材料的導熱系數k_c按下式計算：

式中，k_m和k_p分別為基體金屬和顆粒的導熱系數；為顆粒的體積分數。

②復合材料的密度ρ_c，按下式計算：

式中，ρ_m和ρ_p分別為基體金屬和增強顆粒的密度。

③復合材料的比熱容c_c，按下式計算：

c_c＝c_m(1-w_p)+c_pw_p??????????????(3)

式中，c_m和c_p分別為基體金屬和增強顆粒的比熱容；w_p為顆粒的質量分數：

④增強體的體積分數時，復合熔體的粘度可由Einstein′s公式近似表達為：

增強體的體積分數時，