铸件充型凝固过程模拟分析报告

Simulation Report of Mold-filling and Solidification Processes

单位：材科七班

铸件：铸钢齿轮

材科七班

2014年6月4日

TEL/FAX: 027-87541922 http:// ngmn@http://

1 公司简介

华铸CAE/ InteCAST—中国铸造领域最著名的模拟分析系统。是华中科技大学（原华中理工大学）经20多年的研究与开发，并在长期的生产实践检验中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。华铸CAE/ InteCAST铸造工艺分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质（包括铸钢、球铁、灰铁、铸造铝合金、铸造锌合金、铸造铜合金等）、多种铸造方法（砂型铸造、金属型铸造、压铸、低压铸造、铁模覆砂铸造等）下铸件的凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。

目前华铸CAE集成化软件系统在国内市场占有率达80%左右，首钢、鞍钢、东风汽车公司、浙江大学、航天三院等近200家工矿企业、科研院校使用该系统，几年来为企业带来直接经济效益十所亿多元。《中央电视台》（星火科技98/7/11）、《全国CAD应用通报》都曾报道过该系统的应用情况。德国西门子公司指定该系统是中国出口到该公司铸件的首选模拟软件；丰田汽车公司（日本总部）采用该系统对近10个关键铸件的工艺进行模拟分析优化；新家坡（马来西亚）天鹅金工已购买该系统，华铸CAE是目前国内唯一走出国门的铸造模拟分析系统。

2 模拟分析内容

利用华铸CAE 8.0来进行铸件凝固模拟分析，首先要依据图纸和工艺方案进行三维实体造型，生成若干个STL格式文件，然后利用前处理模块的网格自动剖分功能对铸件、铸型等实体进行网格剖分，得到计算部分所需的离散模型。接着利用计算处理模块进行流动场与温度场的耦合计算，耦合计算后得到铸件铸型各部分的初始温度继续进行凝固过程的温度场计算。从这些计算中得到的流动场、温度场数据，再通过后处理功能将其可视化为各种可视的图形图象、曲线和过程动画，以揭示充型过程和凝固过程的行为细节，为工艺设计人员进行工艺决策和工艺优化提供可靠的定性定量的依据。

华铸CAE软件系统通过STL文件格式可以和UG(Unigraphics)、

PRO/E(Pro/Engineer)、AutoCAD、Solidworks 、SolidEdge等诸多三维造型平台接口。

2.1 三维实体造型及网格剖分

首先用三维造型软件绘出三维工艺图，然后用HZCAE 8.0软件系统前处理部分的网格剖分程序进行网格剖分。

网格剖分.bmp

2.2 流动场、温度场计算

设置好初始条件及边界条件进行充型过程和凝固过程的数值模拟。本次模拟先进行了充型过程的耦合计算，然后进行了凝固过程的模拟。

2.3 后处理阶段

经前两大模块处理后，获得大量的不同时刻的铸件流场、温场数据。应用后处理模块将这些基于时空四维空间的场量以三维彩色图形表现出来，并进一步合成为动画。

3 模拟分析结果

3.1 充型次序

显示液态金属动态充型过程，可模拟液相充填，速度分布。

不同时刻的充型情况请看光盘中的动画。

3.2 铸件色温

铸件凝固过程中，随着热量的散失，温度不断降低。用不同的颜色对应不同的温度，适当的色标对应，绘出不同时刻的铸件图，能贴切形象地表现铸件凝固过程中温度的变化。

不同时刻色温度分布请看光盘中的动画。

3.3 液相及缩孔缩松分布

取某一临界固相率温度，高于此温度的网格单元以黄色填充显示，而低于此温度的网格单元以线条轮廓显示。由此可观察凝固过程中的相变细节，可观察液相补缩通道的断开，孤立液相区的形成以及缩孔缩松的形成过程，为改进工艺、判断工艺的可行性提供科学的依据。

凝固结束后，高温主要集中在冒口部分

铸件凝固结束后，冒口铁液才逐渐凝固，可以满足铸件补缩的需要，因此冒口的设计符合本铸件的需求。

铸件凝固结束，缩孔缩松基本集中在冒口、浇道、补贴等部分，铸件内部缺陷较少，能够满足工艺性能需要。

Nyma缩松模拟中，浇口杯、冒口以及铸件腹板中存在nyma缩松，但缩松面积较小，并且在轮齿、轮毂部分良好，整体满足性能需要。

3.4 动画合成与播放

铸件充型、凝固过程是一种随时间变化的物理过程。要全面、完整地观察这种过程，最恰当的方式就是过程动画。

根据模拟结果数据可以制作出反映充型凝固过程各细节、各侧面的许多AVI 动画。限于篇幅，此处只选几个典型得相关动画，作为得出结论的依据。具体播放方法见附于文后的说明。

4 结论

从模拟结果可得出如下结论：

通过对铸件进行铸件色温、凝固液相、缩孔缩松、nyma缩松的模拟，可以看到铸件凝固过程中的缺陷和不足。铸件色温图中，凝固结束后冒口温度最高，满足补缩需要，从浇注到凝固结束，铸件的缺陷基本集中在冒口和浇注系统中，铸件部分缺陷较少，满足工艺性能需要，符合生产要求。

2014/6/4

附：

计算类型： 纯凝固传热分析

剖分结果文件名： E:\铸钢齿轮\PRO_1\剖分.SGN

# 网格信息(E:\铸钢齿轮\PRO_1\剖分.SGN)

================================================

网格类型： 均匀网格

总网格数： 295680

铸件本体网格数： 11492

合金总网格数： 30988

最大网格尺寸[mm]： 11.000000

最小网格尺寸[mm]： 11.000000

铸件毛重[kg]： 116.248470

浇注重量[kg]： 313.462204

工艺出品率： 37.085323

# 计算物性参数

================================================

铸件

密度[g/cm^3]： 7.600000

导热系数[cal/cm.s.'C]： 0.064118

热容[cal/g.'C]： 0.155755

初始温度['C]： 1580.000000

空气

密度[g/cm^3]： 0.001210

导热系数[cal/cm.s.'C]： 0.000062

热容[cal/g.'C]： 0.240000

初始温度['C]： 20.000000

铸型

密度[g/cm^3]： 1.600000

导热系数[cal/cm.s.'C]： 0.001680

热容[cal/g.'C]： 0.270000

初始温度['C]： 20.000000

芯子

密度[g/cm^3]： 1.600000

导热系数[cal/cm.s.'C]： 0.001680

热容[cal/g.'C]： 0.270000

初始温度['C]： 20.000000

浇注温度['C]： 1580.000000

环境温度['C]： 20.000000

临界固相率： 0.650000

潜热[cal/g]： 60.000000

液相线['C]： 1504.420044

固相线['C]： 1429.410034

热辐射系数： 0.375000

液相收缩率[1/'C]： 0.000100

相变收缩率： 0.040000

# 计算界面参数（界面换热系数,cal/cm^2.s.'C）

================================================

铸件/空气： 0.023000

铸件/铸型： 0.023000

铸件/芯子： 0.023000

空气/铸型： 0.023000

空气/芯子： 0.023000

铸型/芯子： 0.023000

# 计算过程信息

-文件名-------凝固(或充型)时间----CPU------已完成(％)---- 凝固100000 0.000000s 0s 0％ 凝固100001 74.388741s 0s 1％ 凝固100002 92.985924s 0s 3％ 凝固100003 115.302544s 1s 5％ 凝固100004 137.619171s 1s 7％ 凝固100005 152.496918s 1s 9％ 凝固100006 159.935791s 1s 11％ 凝固100007 167.374664s 1s 13％ 凝固100008 189.691284s 1s 15％ 凝固100009 208.288467s 2s 17％ 凝固100010 234.324524s 2s 19％ 凝固100011 252.921707s 2s 21％ 凝固100012 278.957855s 2s 23％ 凝固100013 308.713470s 3s 25％ 凝固100014 327.310730s 3s 27％ 凝固100015 353.346893s 3s 29％ 凝固100016 371.944153s 3s 31％ 凝固100017 397.980316s 4s 33％ 凝固100018 424.016479s 4s 35％ 凝固100019 446.333191s 4s 37％ 凝固100020 468.649902s 4s 39％ 凝固100021 490.966614s 4s 41％ 凝固100022 517.002747s 5s 43％ 凝固100023 539.319275s 5s 45％

凝固100024 561.635803s 5s 47％ 凝固100025 587.671753s 5s 49％ 凝固100026 617.427124s 6s 51％ 凝固100027 647.182495s 6s 53％ 凝固100028 676.937866s 6s 55％ 凝固100029 706.693237s 6s 57％ 凝固100030 740.168030s 7s 59％ 凝固100031 773.642822s 7s 61％ 凝固100032 803.398193s 7s 63％ 凝固100033 836.872986s 8s 65％ 凝固100034 874.067200s 8s 67％ 凝固100035 907.541992s 8s 69％ 凝固100036 941.016785s 9s 71％ 凝固100037 978.210999s 9s 73％ 凝固100038 1019.124634s 9s 75％ 凝固100039 1060.038818s 9s 77％ 凝固100040 1097.233643s 10s 79％ 凝固100041 1138.147949s 10s 81％ 凝固100042 1179.062256s 10s 83％ 凝固100043 1223.696045s 11s 85％ 凝固100044 1268.329834s 11s 87％ 凝固100045 1320.402588s 12s 89％ 凝固100046 1376.194824s 12s 91％ 凝固100047 1443.145508s 13s 93％ 凝固100048 1513.815674s 13s 95％ 凝固100049 1603.083252s 14s 97％ 凝固100050 1818.813232s 15s 100％

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