华铸CAE新进展及其在消失模与V法铸造中的应用
沈旭 周建新* 廖敦明 庞盛永 殷亚军 陈涛 栾天舒
(华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室 湖北武汉 430074)
摘要：铸造CAE的进步与发展及成功的工业应用，正在逐渐改变传统的铸造工艺设计与生产方式。本文介绍了近年来华铸CAE相关研究与进展，其中包括多相流模拟、宏/微观组织预测、应力预测分析、智能工艺优化、3D可视化等方面的发展现状。同时也给出了华铸CAE系统消失模铸件的应用实例，应用表明，该软件能够准确地预测铸件可能产生的卷气夹渣、孔松缺陷、应力分布等，并且能够根据预测结果快速有效地提供优化的工艺方案，直接指导实际生产。
关键词：铸造CAE技术、新进展、消失模铸造、V法铸造、华铸CAE
The New Progresses of InteCAST and its Applications on Lost Foam and Vacuum Casting
SHEN Xu, ZHOU Jianxin*, LIAO Dunming, LUAN Tianshu
(Huazhong University of Science and Technology, Hubei, Wuhan 430074)
Abstract: The progress and development of casting CAE technology and its successful industrial application is gradually changing the traditional casting process design and production method. In this article, we describe the recent research and development of InteCAST, a commercial casting CAE, including multiphase flow simulation, macro/micro structure simulation, stress prediction analysis, intelligent casting process optimization, and 3D visualization and so on. In this article, lost foam casting application examples by InteCAST is given to show that this software can accurately predict the possible defect during casting processing including air entrapment, inclusion, porosity and cavity, and distribution of stress/strain. Moreover, optimized process plan could be quickly and efficiently provided to directly guide the actual production according to the prediction results.
Key words: Casting CAE Technology, New Progresses, Lost Foam Casting, Vacuum Casting, InteCAST
1. 前言
铸造过程数值模拟技术(CAE)经过了五十年的发展历程，其间，从简单的二维模拟到复杂的三维仿真模拟;从单一的考虑到温度场、流动场或应力场计算发展到同时考虑多场耦合计算;从宏观尺度深入到多尺度的模拟分析，并预测出铸件微观的组织与性能;从普通的重力铸造拓展到熔模、离心、低压、压铸等特种铸造;从定性的模拟分析逐步扩展到定量化的预测;从提供单一的CAE模拟分析结果延伸到提供CAD/CAE、信息化、数字化集成的整体解决方案;并且在不同的企业、不同的铸件生产中得到成功的应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，并且朝着并行化、敏捷化、数字化、网络化、智能化的方向发展[1-5]。
作为铸造领域未来不可或缺的辅助工具，模拟仿真领域的理论研究和应用开发一直没有停止。为了更进一步的让模拟系统有更高的模拟精度、更快的模拟速度和适用于更广泛的铸造领域，更为复杂、精确的物理模型和数学模型被相继研究和实现。本文重点介绍目前该领域的一些新进展，并结合“华铸CAE”系统来说明模拟仿真技术的具体应用。
2华铸CAE新进展
2.1复杂多相多场耦合流动模拟
多相流是指两种或两种以上的流体混合在一起，每相的流动有独立的行为，但又相互影响的流动。在实际铸造中，金属液体的充型过程是在多种力学长的作用下，伴随着金属温度的降低、液流前沿的部分凝固与重熔、液流氧化和冲击破坏、以及气体紊乱流动等过程完成的，整个过程是一个典型的多相多场耦合的流动。
因此，从理论上讲，多相流动的研究是准确模拟铸造过程的前提条件，例如对卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等计算分析都离不开多相流的模拟。同事，真实的铸造过程流动是具有紊流、表面张力、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果将更接近真实的铸造过程[6]。
图1 典型压铸件卷气定量化预测
图1所示即为在压铸过程中，考虑了紊流、自由表面、传热、附壁效应的气液两相流。从图中可以看出气体的卷入以及气泡的形成过程，并且该技术可以定量描述卷气量。
2.2 宏/微观凝固组织模拟
九十年代以来铸造微观数值模拟成为人们关注的对象，是数值模拟领域研究的前沿。近十年来，研究者们提出了许多种模拟凝固组织的方法，概况起来有两大类：确定性模拟与非确定性模拟。现在的发展趋势是将二者的优点结合，即形核过程采用随机方法来描述，二晶粒的进一步生长则采用所谓的确定性模型[7]。
经过许多研究者的不懈努力，以微观组织形成于演变为理论基础，涌现出了许多数值方法，包括蒙特卡罗法、自动元胞机法、相场法，以及将相场法与level-set方法等。这些方法能够对某些铸造合金凝固过程所获得的微观组织进行预测，包括晶粒的长大、固态相、位错、微裂纹、微偏析等。
与此同时，由于微观组织求解的规模巨大，目前也有许多研究者将计算机并行技术引入算法的求解，使得组织模拟的尺度范围从微观表达到介观，从介观表达到宏观成为可能性。总得说来，上述的各种方法已经对某些合金的宏/微观组织预测取得一定的成效，但是离真正的实际应用还有一段距离。
图2 相场法组织模拟晶粒生长过程
华铸CAE基于八叉树网格技术对金属凝固过程进行了相场法组织模拟研究，该工作建立了自适应八叉树网格的相场凝固组织模拟技术体系，极大的提高了相场法在凝固组织模拟中的计算能力以及计算效率，同时给出晶粒形貌以及微观偏析等组织信息，部分关于多晶粒模拟结果如图2所示。
2.3 热应力模拟及热裂纹预测
采用热应力场数值模拟技术，可以更好地了解铸件凝固过程中应力和变形的动态变化过程，预测裂纹可能出现的区域、变形的程度以及残余应力的分布状况，为控制应力应变所造成的缺陷、优化铸造工艺、提高铸件质量提供科学的依据。目前，铸件热应力场数值模拟仍然是铸造过程宏观模拟的研究热点之一。铸件热应力场数值模拟技术的重点主要集中在以下几个方面：铸件的力学模型研究、材料高温力学参数的测定、铸件/铸型的接触问题处理、多场耦合计算、热裂预测和热裂判据等。最后通过FDM/FEM联合分析技术或者FEM/FEM联合分析技术进行模拟。
图3 不同时刻的应力分布与实际铸件裂纹
由于热裂是铸件最严重的缺陷之一，热裂的形成和预测成为铸件热应力场数值模拟的重要研究对象。基于铸造过程热裂形成机理的研究成果，研究者相继提出了各种预测热裂纹的模型：凝固条件和补缩模型、基于应力应变场的热裂数值模拟模型、铸件热裂的一维受阻模型、基于流变学模型的热裂模拟。近年来的研究，均趋于采用流变学模型来进行铸件凝固过程中的热应力场及热裂的数值模拟。主要进行了部分铸钢、铝硅合金的流变性能测试及相应的热应力及热裂纹数值模拟。但是目前的热裂理论尚不能对热裂进行定量化描述，因此迫切要求，以流变学模型为基础，同时动态地考虑在凝固过程中的弹性应变、粘弹性应变和塑性应变的热裂判据[8]。图3所示为轧辊铸钢件的温度场、应力场模拟，并成功预测出裂纹出现的位置。
2.4智能化铸造工艺优化
该技术的目标是摆脱人工设计，由计算机自动地、智能地设计铸造工艺。随着CAE技术、人工智能技术的快速发展，以高速计算机作为支撑，智能化的铸造工艺设计技术的实现与应用，将会CAE应用领域研究的一个新热点。基于此趋势，目前许多铸造CAE商业软件都相继开发出具有自己特色的优化设计系统。该系统的基本思路如图所示：
图4铸造工艺智能优化系统的基本思路
设计者将没有添加任何工艺的铸件三维模型输入到铸造CAE系统中进行模拟，在智能辅助优化系统与CAE模拟多次反复的交互作用下，最终提供给设计者一个满足条件的最优工艺方案。然而，铸造CAE系统还未能绝对精确、完全定量化的预测铸造缺陷，以及实际的铸造过程存在经验性、多样性和复杂性，该技术的成熟和应用还需要不断地探索和等待。
尽管让CAE软件具有完全的智能工艺优化设计功能还是一个美好的愿景，但为迎合技术革新的潮流，华铸CAE推出了基于中性文件的自动冒口工艺优化系统，实现对中性文件所描述的三维模型进行识别分析，并且能够自动地、反复地完成三维实体剖分、数值模拟计算、读取模拟结果等操作，结合现代的优化算法，最终提供给用户一个优化的冒口工艺方案[9]。
2.5 模拟结果3D立体显示功能
应用虚拟现实(VR-Virtual Reality)技术，在计算机上生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的铸造车间虚拟环境，再通过使用运动仿真技术，模拟在真实环境下的运动和动力特性，并根据铸造工艺设计要求和仿真结果，及时发现设计中可能存在的问题，通过不断改进和完善，严格保证设计阶段的质量，缩短机械产品的研制周期，提高设计成功率，从而不断提高产品在市场中的竞争力。
随着三维可视化技术的发展，为CAE模拟结果的观察提供了一种新的显示方式，帮助用户全面的观察模拟分析结果。如图5所示，华铸CAE后处理图形显示系统不仅仅保留了传统的图形显示方法，还增加了3D显示功能以及整套的虚拟现实解决方案，该方案不仅能够在普通的个人PC上实现，也能够集成到大型的沉浸式3D环境中，可满足用户对后处理结果显示的不同需求。
图5 个人3D显示解决方案
3 应用实例
华铸CAE系统已有1000多套软件在国内外500多家企业应用，其中包含一些消失模与V法铸造生产企业。采用铸造CAE系统进行充型过程凝固过程模拟分析，可以有效地预测裹气、缩松缺陷，缩短试制周期、降低试制成本、提高铸件质量。下面将给出一些应用实例。
3.1消失模充型凝固过程模拟
图8、图9是某厂采用铸造生产的铸钢件充型、凝固过程模拟结果。
图6 某消失模铸件改进工艺充型模拟结果
(a)工艺温度分布
(b)工艺关键时刻残余液相分布
(b)孔松分布预测
图7某消失模铸件凝固过程模拟结果
通过对该消失模工艺的充型凝固模拟分析发现(如图7所示)，在铸件的底部出现较大的孔松缺陷，说明该部位得不到有效的补缩，需考虑在出现缺陷的部位采取一定的工艺措施;同时，在凝固过程中，铸件两侧放置的侧冒口的凝固液相也与铸件液相过早断开，未能完全实现补缩的功能，需考虑改用更好的冒口保温措施或增大补缩量。
3.2某V法铸件充型凝固过程模拟
图8、图9是某厂采用 V法铸造生产的高锰钢铸件充型、凝固过程模拟结果。采用华铸CAE模拟分析方法，对原工艺进行了改进和优化，在保证铸件质量的前提下提高了工艺出品率。
(a)充型率25%
(b)充型率50%
(c)充型率75%
(d)充型率100%
图8 某V法铸件改进工艺充型模拟结果
(a)原始工艺缺陷分布
(b)改进工艺缺陷分布
图9 某V法铸件凝固过程模拟结果
通过模拟分析发现，原始工艺的冒口不能有效地对铸件进行补缩(如图9(a)所示)。基于模拟结果获得的缺陷位置分析，修改原有工艺，在容易出现位置的地方，设计冒口工艺，有效地解决了缺陷问题(如图9(b)所示)，该工艺在实际应用中取得了很好的效果。
4 结语
铸造CAE在优化铸件工艺、降低废品、提高铸件质量等方面可以起着重要的作用，近几年来铸造 生产企业采用华铸CAE软件进行铸件充型凝固过程模拟分析，提高铸件质量越来越普遍，这将进一步促进华铸CAE的发展，并进一步为企业创造更大的经济和社会效益。
致谢
本研究受到“国家数控重大专项( 2012ZX04012-011 )和( 2011ZX04014-052 )”的资助，特此表示感谢。
参考文献
[1] 周建新，廖敦明等编著. 铸造CAD/CAE, 北京:化学工业出版社, 2009.8
[2] 周建新. 基于非均匀网格技术的铸件充型凝固过程数值模拟的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2003.
[3] 熊守美. 铸造过程模拟仿真技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004
[4] 陈立亮, 周建新, 廖敦明. 铸造工艺仿真优化(CAE)技术的选择与应用[口袋书]. 现代铸铁, 2011: 1-10
[5] 周建新, 陈立亮, 廖敦明, 刘瑞祥. 铸造CAE技术及其在航天航空铝合金铸件中应用[J]. 金属加工, 2008(13): 25-26
[6] Jianxin ZHOU, Ruixiang LIU, Liliang CHEN. High pressure diecasting module of InteCAST software and its applications. Journal of Materials Processing Technology 192-193 (2007) pp 249-254
[7] 殷亚军. 基于八叉树网格技术的相场法金属凝固过程组织模拟的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2013.
[8] 廖敦明, 陈立亮, 周建新, 刘瑞祥. 有限差分法在铸造应力场模拟中的应用[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2011, 39(1): 45-49
[9] D-M Liao, J-X Zhou, L-L Chen, X Shen, X-D Gong. Casting CAD/CAE automatic optimal riser design technology. International Journal of Cast metals Research. 2011. 24(3-4). 247-252
第一作者介绍： 沈旭，1982年9月生，贵州凯里人，博士生，研究方向：铸造CAE优化，TEL/FAX：027-87541922， Email: shenxu2006@163.com
通讯作者(*)：周建新，1975年2月生，湖南邵阳人，教授，博士生导师，华铸软件中心主任，研究方向：铸造CAE技术及铸造企业数字化管理技术.
TEL/FAX：027-87541922， Email: zhoujianxin@hust.edu.cn
