專利名稱：一種金屬液凝固過程中預測縮松的方法及縮松連續(xù)預測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬液凝固過程中預測縮松的方法及縮松連續(xù)預測方法。
背景技術：
鑄件的凝固過程除了固液界面遷移外，還伴隨著傳熱、傳質的運動，鑄件的許多缺陷都與凝固過程密切相關。鑄件凝固過程的計算機仿真模擬，可以形象描述這一變化過程， 對于分析鑄造缺陷、預測鑄件質量、優(yōu)化鑄造工藝有積極的作用。目前計算機在模擬鑄造過程中的應用主要集中在以下4個方面充型凝固模擬、 縮孔縮松預測、凝固過程應力模擬和凝固過程微觀組織模擬。其中，縮孔縮松預測尤其重要。為了預測鑄件縮松的產生及其程度(縮松形狀、尺寸)，考慮縮松生成的機理凝固解析是必要的，但是嚴密的解析非常困難，實際上往往采用以下幾種簡易方法來預測它們的產生1、等溫度、等固相率曲線法。(1)固相線溫度法，判斷縮松產生的條件是發(fā)生在& =1的閉回路中；O)臨界固相率法，判斷縮松產生的條件是發(fā)生在gs = gsc的閉回路中。 但是以上方法在閉回路不存在時難以判斷。2、溫度梯度法，判斷縮松產生條件是1或 gs = gsc時的最大溫度G彡臨界值。該方法比較簡便，但是由于臨界溫度梯度隨形狀、冷卻速率而異，所以預測精度很低。3、固相率梯度法。判斷縮松產生條件是& = 1或& = gsc 時的最大固相率<臨界值。該方法比較適合共晶合金凝固過程的縮松預測；當固相率和溫度的關系為1對1時與溫度梯度發(fā)生等同。目前主要應用的預測縮松的判據(jù)是G/、/反< C，其中G是溫度梯度(K/cm)，R是冷卻速率(K/min)，C是臨界值。但是該方法對合金凝固過程縮松預測的精度較低。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術中對合金凝固過程縮松預測的精度較低的問題，本發(fā)明提供了一種金屬液凝固過程中預測縮松的方法及縮松連續(xù)預測方法，該方法對合金液凝固過程縮松預測的精度高，并且應用范圍廣。本發(fā)明公開的金屬液凝固過程中預測縮松的方法，包括(1)、獲取金屬液的溫度場數(shù)據(jù)；O)、選取進行預測的單元為當前單元，結合所述溫度場數(shù)據(jù)，獲取當前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價冷卻速率R1以及補縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)P.GV .ed /λ/Ι SC進行判斷，
如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當前單元為縮松單元；其中，e為自然對數(shù)底。此外本發(fā)明還公開了一種縮松連續(xù)預測方法，包括(a)、計算金屬液的溫度場；
(b)、根據(jù)溫度場確定金屬液是否即將凝固，如果確定不是即將凝固，則返回步驟 (a)繼續(xù)計算溫度場；如果確定即將凝固，則根據(jù)前述方法進行判斷。通過上述方法，對金屬液凝固過程中縮松預測的精度高。并且該方法可以對各種晶體或非晶合金熔液的凝固過程進行預測，應用范圍廣。
具體實施例方式為了使本發(fā)明所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖
及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明公開的金屬液凝固過程中預測縮松的方法，包括(1)、獲取金屬液的溫度場數(shù)據(jù)；O)、選取進行預測的單元為當前單元，結合所述溫度場數(shù)據(jù)，獲取當前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價冷卻速率R1以及補縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)=P-GrecVi1 SC進行判斷，
如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當前單元為縮松單元；其中，e為自然對數(shù)底。即e在本發(fā)明中取值為2. 71828。根據(jù)本發(fā)明公開的上述方法，與現(xiàn)有的縮松判據(jù)相比，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，引入了另一金屬液的壓力P作為判據(jù)影響因素，能提高判斷的準確性。同時，本發(fā)明的發(fā)明人根據(jù)金屬液凝固過程中的各種因素的綜合分析，提出了以粘度梯度Gv作為判據(jù)的一大影響因素，并創(chuàng)
造性的結合補縮距離d，增加新的參數(shù)ed，從而形成了上述判據(jù)P.Gv^dZVI1 SC。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在金屬液凝固過程中，金屬的補縮距離對其凝固過程也有較大影響。作為金屬的特定屬性，金屬的補縮距離越大，金屬液凝固過程中產生縮松缺陷時越容易得到補縮。對于現(xiàn)有的判據(jù)，未考慮補縮距離，即可等效于本發(fā)明公開的判據(jù)中補縮距離為0，此時相當于默認金屬的補縮距離為0，與實際情況不符。在本發(fā)明中，通過增加新的參數(shù)ed來考慮補縮距離，金屬的補縮距離越大，通過上述判據(jù)計算出的預測值也越大，符合補縮距離越大，越容易得到補縮的實際情形。大大提高了預測精度。在引入壓力P和Gv并結合ed對判據(jù)進行修正后，對金屬液凝固過程中縮松產生的預測精度極大的提高了。并且，相比于傳統(tǒng)的固相率梯度判據(jù)，本發(fā)明通過采用在本領域未嘗使用過的粘度梯度判據(jù)，能對包括晶體、非晶等各種形態(tài)的金屬的凝固過程實現(xiàn)縮松預測，并且等價冷卻速率不受金屬晶體形態(tài)的影響， 擴大的應用的范圍；預測的精度也得到了進一步提高。采用本發(fā)明公開的方法對金屬液凝固過程中縮松情況進行判斷后，有利于技術人員對金屬的熔煉工藝進行調整。在上述判據(jù)中，壓力P的單位為Pa，粘度梯度Gv的單位為kg/(m2. s)，等價冷卻速率R1的單位為K/min，補縮距離d的單位為mm。在本發(fā)明中，步驟a中溫度場數(shù)據(jù)可通過現(xiàn)有的各種方法得到，如可以通過傳熱學基本方程計算得到。鑄件凝固過程實際上是“鑄件-鑄型-環(huán)境”之間的不穩(wěn)定熱交換過程。在鑄件凝固過程中基本上包括了傳熱中的所有現(xiàn)象熱傳導、熱對流、熱輻射。在液態(tài)金屬注入鑄型后，液態(tài)金屬內部的熱量通過熱傳導到達鑄件的表面，然后通過熱輻射和熱傳導傳遞給鑄型，再通過熱傳導到達鑄型的外表面，最后通過熱輻射和對流散發(fā)到環(huán)境中。與此同時鑄型型腔內液態(tài)金屬的溫度不斷下降，且溫度不均勻。這種不均勻性造成了鑄型型腔中的液態(tài)金屬的熱對流。下面分別對熱傳導、熱對流和熱輻射進行說明。1、熱傳導換熱熱傳導簡稱導熱，它屬于接觸傳熱，是連續(xù)介質在沒有物質之間各部分相對位移的情況下，依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱振動進行的熱量傳遞。在密實的不透明的固體中，只能依靠導熱方式傳遞熱量。對于多維溫度場的確定，須以能量守恒和傅立葉定律為基礎，分析導熱體中的微元體，得出表示導熱現(xiàn)象基本規(guī)律的三維熱傳導的微分方程
權利要求
1.一種金屬液凝固過程中預測縮松的方法，包括(I)、獲取金屬液的溫度場數(shù)據(jù)；O)、選取進行預測的單元為當前單元，結合所述溫度場數(shù)據(jù)，獲取當前單元的壓力P、 粘度梯度Gv、等價冷卻速率R1以及補縮距離d和臨界值C ；(3)、根據(jù)獲得的P、Gv、R1, d以及C值，按照判據(jù)^GretVi1 進行判斷，如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當前單元為縮松單元；其中，e為自然對數(shù)底。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述步驟(1)中溫度場數(shù)據(jù)通過傳熱學方程計算得到。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中，所述通過傳熱學方程計算溫度場數(shù)據(jù)的方法包括(II)、選取任一單元，基于上一時刻的溫度場數(shù)據(jù)，得出該單元上一時刻的溫度數(shù)據(jù)； 然后通過熱傳導、熱對流、熱輻射計算該單元從上一時刻到當前時刻的總熱量變化值，通過該總熱量變化值，采用溫度變化方程計算該單元從上一時刻到當前時刻的溫度變化值；再基于上一時刻的溫度數(shù)據(jù)和從上一時刻到當前時刻的溫度變化值，得到該單元當前時刻的溫度數(shù)據(jù)；所述溫度變化方程為ΔΤ = -β-，CpV其中Q為總熱量變化值，單位為J，C為金屬的比熱，單位是kJ/kg*°C，P為金屬的密度，單位是kg/m3，V為當前單元的體積，單位是m3 ；(12)、重復步驟(11)，對金屬液的所有單元按溫度變化方程進行計算，得到金屬液的溫度場數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述壓力為當前單元的金屬液靜壓力。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述粘度梯度Gv的獲取方法為選取與當前單元相鄰的26個相鄰單元，所述沈個相鄰單元為與當前單元面相鄰的6 個單元，與當前單元棱相鄰的12個單元和與當前單元頂點相鄰的8個單元，當前單元與各個相鄰單元的距離是當前單元中心點與相鄰單元中心點之間的距離； 獲得當前單元及26個相鄰單元的粘度值；取當前單元與其中一個相鄰單元的粘度值之差除以當前單元與該相鄰單元的距離，得到一個商值，重復該步驟，然后取最大的商值為粘度梯度Gv。
6.根據(jù)權利要求6所述的方法，其中，獲取當前單元及沈個相鄰單元的粘度值的方法為結合溫度場數(shù)據(jù)，分別獲取當前單元及26個相鄰單元的溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)當前單元及沈個相鄰單元的溫度數(shù)據(jù)，分別獲得當前單元及26個相鄰單元的粘度值。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述當前單元的等價冷卻速率R1的獲取方法為 將當前單元在一個時間步長內釋放的潛熱換算成當前單元在該時間步長內溫度的等價降低值，取該等價降低值與該單元實際溫度的實際降低值之和，然后除以所述時間步長，得到當前單元的等價冷卻速率R1。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，所述臨界值C的獲取方法為針對固定的金屬材料，基于固定的模型和壓鑄工藝條件，進行實際壓鑄，得到鑄件；對鑄件進行剖分確定鑄件內部縮松的位置；然后，設定預測臨界值，采用基礎判據(jù)P-Gv/^! <C進行模擬分析，獲得包括縮松位置的模擬結果，將模擬結果與鑄件內部縮松的位置進行對照，如果模擬結果與實際鑄件中縮松的位置不相同，則調整預測臨界值，再進行模擬；如果模擬結果與實際鑄件中縮松的位置相同，則該預測臨界值即為臨界值C。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，所述補縮距離d的獲取方法為針對固定的金屬材料，基于固定的模型和壓鑄工藝條件，進行實際壓鑄，得到鑄件；對鑄件進行剖分確定鑄件內部縮松的位置；然后，根據(jù)獲取的臨界值C，設定預測補縮距離，采用判據(jù)P.GV ^ed/V^1 進行模擬分析，獲得包括縮松位置的模擬結果，將模擬結果與鑄件內部縮松的位置進行對照，如果模擬結果與實際鑄件中縮松的位置不相同，則調整預測補縮距離，再進行模擬；如果模擬結果與實際鑄件中縮松的位置相同，則該預測補縮距離即為補縮距離d。
10.一種縮松連續(xù)預測方法，包括(a)、計算金屬液的溫度場；(b)、根據(jù)溫度場確定金屬液是否即將凝固，如果確定不是即將凝固，則返回步驟(a) 繼續(xù)計算溫度場；如果確定即將凝固，則根據(jù)權利要求1-9中任意一項所述的方法進行判斷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬液凝固過程中預測縮松的方法及縮松連續(xù)預測方法，所述金屬液凝固過程中預測縮松的方法包括(1)獲取金屬液的溫度場數(shù)據(jù)；(2)選取進行預測的單元為當前單元，結合所述溫度場數(shù)據(jù)，獲取當前單元的壓力P、粘度梯度Gv、等價冷卻速率R1以及補縮距離d和臨界值C；(3)根據(jù)獲得的P、Gv、R1、d以及C值，按照判據(jù)進行判斷，如果滿足上述判據(jù)，則可判斷當前單元為縮松單元；其中，e為自然對數(shù)底。通過上述方法，對金屬液凝固過程中縮松預測的精度高。并且該方法可以對各種晶體或非晶合金熔液的凝固過程進行預測，應用范圍廣。
文檔編號G06F17/50GK102236726SQ20101016030
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者吳波, 孫亞軒, 郝良品 申請人:比亞迪股份有限公司