[發明專利]一種模擬鑄鐵砂型鑄造澆鑄過程的優化預測方法

有效

• 申請號: 201610590374.2
• 申請日: 2016-07-25
• 公開（公告）號: CN106202809B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 牛曉峰;王紅霞;王冠乾;胡磊;閻佩雯;馬麗莉;黃志偉;侯華;朱明
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06Q10/04;G06Q50/04
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司14101
• 代理人: 江淑蘭

1.一種模擬鑄鐵砂型鑄造澆鑄過程的優化預測方法，其特征在于：

鑄鐵砂型鑄造過程中，在重力作用下，渣團運動軌跡的預測方法如下：

(1).預制鑄鐵曲軸樣件

①制備曲軸鑄件用砂型，造型材料采用呋喃樹脂砂，澆口處設置氧化鋯濾網；

②熔煉制備鑄鐵熔液

稱取鑄鐵6kg±0.1kg，置于熔煉坩堝中，加熱至1350℃±5℃，采用六氯乙烷除氣，隨后除渣，靜置5min后，待用；

③重力鑄造

將鑄鐵熔液靜止后通過砂型鑄模澆口注入砂型型腔進行充型，充型后靜置30min；

④冷卻

澆鑄后，將砂型鑄模及其內的鑄件埋于細砂中冷卻至25℃；

⑤開模取出曲軸鑄件

⑥清理鑄件表面

用金屬刷清理鑄件表面，用機械切除余頭，然后用砂紙打磨鑄件表面，曲軸鑄件成型；

(2).建立渣團運動軌跡預測模型

基于光滑粒子流體動力學計算方法，建立粒子間相互作用的數學模型，找出鑄造充型過程中固液兩相流動規律，模擬金屬熔液渣團流動過程；

采用計算機程序對金屬液、渣團和邊界進行粒子化，在計算機內存中預留容量，進行初始粒子的屬性配置，對三種不同屬性粒子分別進行質量、密度、初始速度、粘度的設置；配置粒子屬性后，進行光滑長度L計算,時間步長Δt的設置；

①建立相互作用粒子的搜索方法

確定支持域內相互作用的粒子，并進行配對，具體過程如下：

1)在計算區域上鋪一層網格，網格邊長尺寸為光滑長度L的3倍，粒子分布在各個網格的胞元內，并對每個胞元進行編號；

2)分別對每個粒子的支持域內與其相互作用的粒子進行搜索配對，在搜索過程中，只在比粒子所在胞元編號大的胞元范圍內搜索配對，避免重復搜索，對于支持域內配對成功的粒子，從編號1開始依次編號；

3)在每個時間步長計算完成后，重新進行粒子的配對；

②在預測的基礎上，經過前二分之一時間步長后，對金屬液粒子和渣團粒子的速度、位置進行修正；

具體步驟如下：

1)金屬液粒子和渣團粒子密度變化的計算：

根據連續計算方程，對任意金屬液粒子i進行密度計算，通過對i粒子支持域內與其相互作用粒子的質量和速度差值的一個累加運算，獲得金屬液粒子i的密度變化，表達式如下：

dρidt=ρiΣj=1NmjρjVij·∂Wij∂Xi]]>

式中：ρ_i表示粒子i的密度,t表示時間，表示對粒子i求解密度對時間的導數,ρ_j表示在粒子i支持域內與其相互作用的粒子j的密度，表示對i粒子支持域內與其相互作用的粒子加權求和，N表示支持域內與i粒子相互作用的粒子的總數，m_j表示粒子j的質量，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差，表示光滑函數的導數；

對于渣團粒子，在計算過程中保持密度不變；

2)金屬液粒子和渣團粒子所受作用力的計算：

對于金屬液粒子和渣團粒子，任意i粒子所受的作用力為壓力、粘性力、外力，表達式如下：

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所受壓力,F_n表示粒子i所受粘性力,F_w表示粒子i所受外力；

當相互作用的粒子為同類粒子，同為金屬液粒子或同為渣團粒子：

Fp=-Σj=1Nmj[pi+pjρj+ρiΠ]∂Wij∂Xi]]>

Fn=Σj=1Nmj(2ξirijρjrij2)Vij∂Wij∂Xi]]>

Fw=gΣj=1Nmj∂Wij∂Xi]]>

式中：表示對i粒子支持域內與其相互作用的粒子加權求和，N表示支持域內與i粒子相互作用的粒子的總數，m_j表示粒子j的質量，p_i p_j分別表示粒子i和j的壓力值，通過求解狀態方程獲得，ρ_i表示粒子i的密度,ρ_j表示在粒子i支持域內與其相互作用的粒子j的密度，ξ_i表示粒子i動力粘性系數,g表示粒子的重力加速度,表示光滑函數的導數，r_ij表示粒子間位置差，r_ij²表示粒子間距離的平方，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；

當相互作用粒子為不同類粒子，金屬液粒子和渣團粒子，對其壓力項、粘性力及外力進行相應修正：

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：表示對i粒子支持域內與其相互作用的粒子加權求和，N表示支持域內與i粒子相互作用的粒子的總數，m_j表示粒子j的質量，p_i p_j分別表示粒子i和j的壓力值，通過求解狀態方程獲得，θ是個系數，取值為0.2，ρ_i表示粒子i的密度,ρ_j表示在粒子i支持域內與其相互作用的粒子j的密度，g表示粒子的重力加速度,K是一個常系數，表示的是相互作用力大小的參數，r_ij表示粒子間位置差，r_ij²表示粒子間距離的平方，表示光滑函數的導數，ξ_i、ξ_j分別表示粒子i和j的動力粘性系數，V_ij表示粒子i和粒子j的速度差；

3)在經過前二分之一時間步長后，對金屬液粒子和渣團粒子進行速度和位置的修正，具體步驟如下：

獲得金屬液粒子和渣團粒子的密度、壓力、粘性力、外力、合力值，進而求得加速度；在經過前二分之一時間步長后，金屬液粒子和渣團粒子的速度及位置進行如下修正：

金屬液粒子和渣團粒子在時刻的修正速度值等于其在n時刻的速度值加上加速度乘以二分之一時間步長，金屬液粒子和渣團粒子在時刻的修正位置值等于其在n時刻的位置值加上其在時刻的修正速度值乘以二分之一時間步長，其中n表示當前計算時刻；

③在經過一個時間步長后，對金屬液粒子和渣團粒子的速度、位置進行計算；

金屬液粒子和渣團粒子在n+Δt時刻的速度值等于其在時刻的修正速度值乘以二減去其在n時刻的速度值，金屬液粒子和渣團粒子在n+Δt時刻的位置值等于其二倍的修正位置值減去其在n時刻的位置值，其中n表示當前計算時刻；

一個時間步長計算完成后，重新進行粒子的搜索配對和粒子速度、位置的計算，直至充滿型腔，并得到渣團隨金屬液流動的運動軌跡；

④預測結果

在將金屬液和渣團離散成粒子時，粒子數量為1000108個，數值模擬結果表明有渣團進入鑄件內部，根據模擬結果，優化澆鑄系統設計，設計集渣包，經過再次模擬計算，渣團分布到集渣包中，未進入到鑄件內。

2.根據權利要求1所述的一種模擬鑄鐵砂型鑄造澆鑄過程的優化預測方法，其特征在于：砂型模具(4)為矩形，上部設有澆鑄口(5)，澆鑄口(5)對準模具L形型腔(6)，并連通，模具L形型腔(6)內為鑄鐵溶液(7)，鑄鐵溶液冷卻后為鑄鐵曲軸鑄件。