[發(fā)明專(zhuān)利]鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510346060.3
• 申請(qǐng)日: 2015-06-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104881588B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉東戎
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F19/00
• 分類(lèi)號(hào): G06F19/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所23109
• 代理人: 楊立超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法。

背景技術(shù)

宏觀偏析是鑄錠凝固過(guò)程中形成的一種鑄造缺陷。宏觀偏析即宏觀尺度上合金成分發(fā)生變化，從而導(dǎo)致鑄錠組織和力學(xué)性能的不均勻性。宏觀偏析缺陷的存在消弱了鑄錠產(chǎn)品的塑性和沖擊韌性，同時(shí)它還是熱裂缺陷產(chǎn)生的源頭。作為鍛造母材，鑄錠尺寸通常很大。由于凝固時(shí)間長(zhǎng)、合金液流動(dòng)作用時(shí)間長(zhǎng)，因此極易形成宏觀偏析缺陷。對(duì)大型鑄錠產(chǎn)品而言，宏觀偏析一旦形成，很難通過(guò)熱處理或機(jī)械加工的方法消除，這將直接導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此控制宏觀偏析形成是大型鑄錠產(chǎn)品成功生產(chǎn)的關(guān)鍵。采用實(shí)驗(yàn)方法探尋宏觀偏析形成特點(diǎn)存在的問(wèn)題是成本高、周期長(zhǎng)以及對(duì)能源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，我國(guó)目前無(wú)法承擔(dān)。因此利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)預(yù)測(cè)宏觀偏析形成，是提高大型鑄錠產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要手段。

宏觀偏析分布主要分為三種模式：頂部正偏析、底部負(fù)偏析和通道偏析，其中通道偏析對(duì)鑄錠質(zhì)量影響最為重要，因?yàn)椋梢圆捎谩捌^去尾”的方式去除頂部正偏析和底部負(fù)偏析，而通道偏析通常存在錠身內(nèi)，很難切除。有學(xué)者采用理論分析和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法提出夾雜物運(yùn)動(dòng)也是通道偏析形成的一個(gè)主要原因。目前被廣泛使用的偏析理論認(rèn)為熱溶質(zhì)對(duì)流是通道偏析形成的主要原因，因此現(xiàn)有宏觀偏析模擬方法存在的問(wèn)題是：只考慮熱溶質(zhì)對(duì)流，而忽略?shī)A雜物運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)通道偏析形成的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的宏觀偏析計(jì)算中不能精確預(yù)測(cè)不同物理機(jī)制綜合作用下宏觀偏析形成的問(wèn)題，而提出一種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法。

一種鑄錠宏觀偏析數(shù)值模擬方法，所述方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、在X×Y米的鑄錠系統(tǒng)的X方向和Y方向上，分別以X方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Δx和Y方向網(wǎng)格剖分步長(zhǎng)Δy進(jìn)行宏觀尺度網(wǎng)格剖分，形成一系列計(jì)算網(wǎng)格，且由(j，k)_char＝z表示計(jì)算網(wǎng)格的類(lèi)型；

其中，Δx＝Δy，Δx和Δy的取值范圍都為1×10^-3～4×10^-3米；j、k和z均為整數(shù)，j表示二維數(shù)組中X軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，j的取值范圍為1～M，k表示二維數(shù)組中Y軸方向上網(wǎng)格的標(biāo)號(hào)，k的取值范圍是1～N，z表示計(jì)算網(wǎng)格的類(lèi)型，且當(dāng)z＝2時(shí)，(j，k)_char＝2表示鑄型網(wǎng)格；當(dāng)z＝0時(shí)，(j，k)_char＝0表示鑄錠網(wǎng)格；當(dāng)z＝4時(shí)，(j，k)_char＝4表示內(nèi)冷鐵網(wǎng)格；當(dāng)z＝5時(shí)，(j，k)_char＝5表示外冷鐵網(wǎng)格；當(dāng)z＝6時(shí)，(j，k)_char＝6表示冒口套網(wǎng)格；當(dāng)z＝7時(shí)，(j，k)_char＝7表示保溫材料網(wǎng)格；當(dāng)z＝8時(shí)，(j，k)_char＝8表示絕熱材料網(wǎng)格；

步驟二、設(shè)定鑄錠系統(tǒng)中夾雜物ig的個(gè)數(shù)為N_inclusion，且?jiàn)A雜物ig隨機(jī)分布在鑄錠系統(tǒng)的計(jì)算網(wǎng)格中，存在夾雜物的計(jì)算網(wǎng)格表示為(j_r，k_r)_char＝z，隨機(jī)選取標(biāo)號(hào)為(j_r，k_r)_char＝0類(lèi)型的鑄錠網(wǎng)格，則夾雜物ig在鑄錠網(wǎng)格的位置表示為：L_X＝j(luò)_r×Δx，L_Y＝j(luò)_r×Δy，r表示鑄錠網(wǎng)格中存在的夾雜物；

并設(shè)定夾雜物的密度為ρ_inclusion；

設(shè)定夾雜物的直徑為d_inclusion；

步驟三、針對(duì)所有(j，k)_char＝0類(lèi)型的鑄錠網(wǎng)格，計(jì)算能量守恒方程、成分守恒方程、動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，且計(jì)算動(dòng)量守恒方程和質(zhì)量守恒方程時(shí)，還需考慮夾雜物ig的運(yùn)動(dòng)對(duì)液體流速的影響；并獲得鑄錠網(wǎng)格內(nèi)部溫度T分布，獲得鑄錠網(wǎng)格內(nèi)部成分分布，獲得平均成分[C]的分布；

步驟四、計(jì)算夾雜物ig的運(yùn)動(dòng)速度；

步驟五、針對(duì)除(j，k)_char＝0類(lèi)型的鑄錠網(wǎng)格以外所有計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算鑄型網(wǎng)格的能量守恒方程，獲得鑄型網(wǎng)格內(nèi)部溫度T′的分布，

[H]＝c_pT′，

其中c_p表示比熱，ρ表示密度，λ表示導(dǎo)熱系數(shù)；