[發明專利]基于砂芯結構特征分析的鑄件氣孔快速預測方法及系統

在審

• 申請號: 202211545747.6
• 申請日: 2022-12-05
• 公開（公告）號: CN116306072A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 康進武;李娜;孫玉成;姜愛龍
• 申請（專利權）人: 清華大學;濰柴動力股份有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G06T17/20;G06F111/10;G06F119/08;G06F111/08
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 孫楠

本發明涉及一種基于砂芯結構特征分析的鑄件氣孔快速預測方法及系統，包括：基于砂芯結構的幾何特征分析及砂芯內部傳熱和砂芯內氣體遷移的相似性，確定砂芯排氣最難的部位，記為危險部位；設定傳熱邊界、初始條件和終止計算條件，對砂芯的導熱系數進行修正，并將終止計算時作為砂芯氣孔傾向指數GPI；將砂芯氣孔傾向指數GPI存入砂芯特征數據庫中進行更新，并根據砂芯氣孔傾向指數GPI與GPI臨界指數Csubgt;GPI/subgt;對比預測砂芯是否引發鑄件氣孔，若引發氣孔則將危險部位對應到鑄件上，得到鑄件氣孔的位置I。本發明能解決砂芯發氣、排氣過程復雜、難以通過數值模擬技術進行預測或采用數值模擬技術計算成本及時間大等問題；并隨著分析砂芯的增多，Csubgt;GPI/subgt;更精確，鑄件氣孔預測更加準確。能在砂型鑄造領域中應用。

技術領域

本發明涉及一種砂型鑄造技術領域，特別是關于一種基于砂芯結構特征分析的鑄件氣孔快速預測方法及系統。

背景技術

在砂型鑄造過程中，砂芯與金屬液直接接觸，因此冷卻液態金屬和凝固后的鑄件，自身被加熱，當砂芯溫度達到粘結劑分解溫度時，砂芯中的粘結劑會在高溫下分解產生氣體。所產生的氣體如果不能通過砂芯自身排出就會進入金屬液中，如果再不能從液態金屬中排出，則在鑄件中形成侵入性氣孔。鑄件中的氣孔缺陷會降低鑄件的氣密性，如對于發動機缸體氣孔會使鑄件報廢；同時會減小零件的承載面積，引起應力集中，成為零件斷裂的源頭。對氣孔缺陷預測十分重要，進行氣孔預測能夠優化生產工藝，指導實際生產，控制和消除鑄件氣孔缺陷。

砂芯中的粘結劑由于高溫受熱分解產生混合氣體，混合氣體溢出砂芯侵入金屬液，在氣體壓力及浮力、表面張力、粘滯力等相互作用下氣泡在金屬液中上浮，依據金屬液的凝固狀態判斷氣泡是否溢出金屬液從而判斷其是否產生氣孔缺陷。這一過程極其復雜和繁瑣，同時砂芯發氣排氣中的許多物理機理是未探究的，難以建立反映真實氣孔形成的數學模型，數值模擬計算成本很大，計算時間很長，因此數值模擬難以有效進行鑄件氣孔預測。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種基于砂芯結構特征分析的鑄件氣孔快速預測方法及系統，其能有效解決砂芯發氣、排氣過程復雜、難以通過數值模擬技術進行預測或采用數值模擬技術計算成本及時間大等問題。

為實現上述目的，第一方面，本發明采取以下技術方案：一種基于砂芯結構特征分析的鑄件氣孔快速預測方法，其包括：基于砂芯結構的幾何特征分析及砂芯內部傳熱和砂芯內氣體遷移的相似性，確定砂芯排氣最難的部位，記為危險部位；設定傳熱邊界、初始條件和終止計算條件，對砂芯的導熱系數進行修正，并將終止計算時間作為砂芯氣孔傾向指數GPI；將砂芯氣孔傾向指數GPI存入砂芯特征數據庫中進行更新，并根據更新后的砂芯氣孔傾向指數GPI預測砂芯是否引發氣孔，若引發氣孔則將危險部位對應到鑄件上，得到鑄件氣孔的位置。

進一步，所述危險部位的確定，包括：

對砂芯進行有限差分網格剖分，識別出砂芯芯頭部位及芯頭端面；

依據砂芯傳熱與砂芯中氣體傳輸的相似性原則，對砂芯采用數值模擬方法求解傅里葉傳熱微分方程，進行虛擬傳熱計算；

獲取溫度未發生改變的網格單元，為砂芯排氣最困難部位。

進一步，所述砂芯芯頭部位及芯頭端面的識別，包括：

將砂芯的STL文件進行剖分，統計剖分文件中X、Y、Z三個方向的極值，記錄X、Y、Z三個方向極值位置的單元坐標；

分別計算三個方向的極值大小，其中最小的極值對應的方向作為砂芯芯頭的方向，進而確定砂芯芯頭部位及芯頭端面。

進一步，所述設定傳熱邊界、初始條件和終止計算條件，包括：

在砂芯芯頭的端面單元加上高溫熱源邊界條件，砂芯除芯頭端面外的其它表面設置絕熱的邊界條件；