[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

技術領域

本發明涉及一種模擬鑄鐵砂型鑄造澆鑄過程的優化預測方法，屬于鑄鐵鑄造工藝優化及計算的技術領域。

背景技術

鑄鐵砂型鑄造是金屬熔液在重力作用下充填砂型型腔，以形成鑄件的一種方法，由于金屬熔液在重力作用下充滿型腔，稱之為重力鑄造，其常見工藝過程是金屬熔液通過砂型鑄口，在重力作用下通過直澆道、橫澆道、內澆道進入型腔，直至充滿型腔，冷卻后得到凝固的鑄件。

鑄鐵在熔煉過程中會產生渣團,在澆鑄、充型過程中會產生氧化反應，形成二次氧化渣團，渣團進入型腔會造成鑄件缺陷，如何掌握和預測鑄鐵件在澆鑄過程中渣團在金屬熔液內的流動軌跡，為優化澆鑄達到擋渣、撇渣作用，預防消除鑄件缺陷提供理論依據，這是一個重要的研究課題。

發明內容

發明目的

本發明的目的是針對鑄鐵件砂型鑄造特點，對鑄鐵在砂型模具內充型過程中渣團的運動軌跡進行預測，通過建立模型和程序計算，預測渣團運動軌跡，為優化澆鑄達到擋渣、撇渣作用，預防和消除鑄件缺陷提供理論依據。

技術方案

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：

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