一种基于有限元的球墨铸铁件缩孔缺陷预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元的球墨铸铁件缩孔缺陷预测方法，采用基于有限元的工艺模拟ＰｒｏＣＡＳＴ对球墨铸铁件进行分析，取得充型和温度场分析文件；计算得出单元固相率、单元体积和共晶膨胀率；对起始步依次进行封闭区搜索、对封闭区内进行孤立区搜索，并进行总型腔扩大值的计算；再进行下一步搜索，循环直至完成所有计算步的搜索；将新生和派生的孤立区进行总体积变化值计算并输出，根据该体积变化值和孤立区开始形成时的体积量、孤立区的位置即可对该铸件的收缩缺陷进行定量化判断。本发明专利技术考虑石墨化膨胀和型腔扩大的影响，对球墨铸铁件缩孔缺陷可进行定量化预测，解决了工艺模拟中分析判定缺陷的难题，为工程生产实际提供确切的预测依据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料缩孔缺陷的预测方法，具体涉及一种基于有限元技术对球墨铸铁件的缩孔缺陷进行预测的方法。
技术介绍
球墨铸铁的凝固过程由于既有液态收缩、凝固收缩，又有石墨化膨胀，所以球墨铸铁的凝固过程实际上是收缩和膨胀动态叠加的结果，因而球墨铸铁件缩孔缺陷的预测较凝固过程中只考虑凝固收缩铸钢、铸铝件更为复杂。现有关于球墨铸铁件缩孔的预测方法，很难反映球墨铸铁件凝固过程中的收缩和膨胀动态叠加，而且大多仅考虑石墨化膨胀，未考虑铸型的型腔扩大，所以对球墨铸铁件的缩孔预测精度无法保证。在《铁型覆砂球墨铸铁件凝固模拟及收缩缺陷预测》(作者梁作俭李贵来等，2001(5)《特种铸造及有色合金》-25-27)中，通过建立铁型覆砂铸造凝固过程模拟的数学模型，采用动态膨胀收缩法(DECAM)和K·G/√R判据来预测球墨铸铁件的收缩缺陷，但对缺陷的预测精度不高。专利JP19980122126 19980501《铸造产品的凝固分析方法》(公开号JP11314152，公布日期1999年11月16日)专利文本中，采用计算机和由许多单元构成的分析模型进行铸件的凝固分析，可获得每次非固相区分裂时的固相收缩量和来自凝固收缩量的缩孔体积，基于有限差分的分析方法，但未考虑到球墨铸铁件凝固过程中石墨化膨胀及其引起的型腔扩大因素。专利JP20050121506 20050419的《凝固分析方法》(公开号JP2005329465，公布日期2005年12月02日)文本中，公开的分析方法是根据相邻单元固相率的差值推算各单元的收缩量，其仅能估计出其中的大部分收缩量，难以达到对缩孔准确和定量化的预测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，充分考虑了球墨铸铁件凝固过程中石墨化膨胀和型腔扩大的影响，解决了现有预测方法对球墨铸铁件缩孔缺陷预测准确性差的问题。本专利技术所采用的技术方案是，，采用图的广度优先搜索法处理铸造工艺分析过程中的海量有限元数据技术，在凝固过程计算中从微观组织形成机理动态考虑石墨化膨胀和型腔扩大的影响，通过输入温度场结果和铸件几何文件，设置控制参数及计算参数，进行封闭区搜索、孤立区搜索和总型腔扩大计算，最终得出孤立区体积变化值，该方法包括以下步骤步骤1、采用基于有限元的商用工艺模拟ProCAST对球墨铸铁件进行充型和温度场分析，取得该铸件选定步长范围内的温度场文件和几何文件，并用viewcast将温度场文件和几何文件输出为通用有限元温度文件格式和几何文件格式；步骤2、根据温度与固相率的对应关系计算出各有限元的单元固相率，同时由几何文件根据单元坐标计算出单元体积，根据该铸件的化学成分计算出共晶转变时的共晶膨胀率；步骤3、采用有限元算法对起始步T＝1进行处理，其中T为步长，根据上述计算得出的各有限元的单元固相率，结合几何文件数据对上述固相率场进行封闭区搜索，铸件中相互连通的固相率小于临界固相率的单元中，被该固相率等值面包围的区域即为封闭区；步骤4、在上述搜索得到的封闭区内进行孤立区搜索，每一个封闭区都对应相应的孤立区，利用单元扩张的办法，直到所有的孤立区单元都属于某一个孤立区，同时搜索孤立区与铸件外表面接触的边界单元，根据边界单元的总表面积计算出总型腔扩大值；步骤5、转入下一个计算步T＝n+1进行循环，其中T为步长，搜索该步的封闭区和孤立区，如果上一步长的孤立区派生出新的孤立区，则对新的孤立区进行编号，同时计算该孤立区的体积变化和型腔扩大值，按此方法，直到完成所有计算步的搜索；步骤6、根据上述计算得出的总型腔扩大值、单元体积值和共晶膨胀率对搜索得到的孤立区进行体积变化的计算，并将孤立区体积变化值输出，根据该体积变化值和孤立区开始形成时的体积量、孤立区的位置即可对该铸件的收缩缺陷进行定量化判断。本专利技术的特点还在于封闭区搜索是采用图的广度优先搜索法，建立一套搜索封闭区的方法，能够准确快速地记录封闭区的大小、位置和继承关系，按以下步骤进行(1)首先在t＝0时，对所有铸件单元赋予封闭区编号-1；(2)t＝n时，对全部单元判断，将fis＞fsc的单元定凝固状态号为1，将fis＜fsc的单元定凝固状态号为0，fis为i单元的固相率，fsc为合金的临界固相率，fis＞fsc的单元意为此单元没有补缩能力；(3)从铸件最高处开始搜索，如果单元V(i，j，k)的状态号为0，把该单元作为搜索起始单元，并标示该单元为已访问单元；(4)访问与V(i，j，k)相邻的各个单元，如果该单元已经被访问过，那么不再做处理；否则，判定该单元的固相率是否小于临界固相率，如果小于，则把该单元存入数组arr中，如果大于临界固相率，说明已经凝固则不作处理，依次把所有相邻单元搜索完毕，并把未访问单元记录到数组arr中；(5)从数组arr中依次取出未访问单元V(i，j，k)，作为起始搜索单元，依照步骤(4)中方法进行搜索，并把小于临界固相率的单元记录到arr，直到arr中记录的单元都被搜索完；(6)从数组arr中依次取出未访问单元V(1，j，k)，作为起始搜索单元，依照步骤(4)中方法进行搜索，并把小于临界固相率的单元记录到arr，使用之前arr已被清空，直到arr中记录的单元都被搜索完，随后跳到(5)，反复执行，直到搜索完毕；(7)重复(3)，依次赋予封闭区编号2、3、…，直至t＝n时，全部单元的封闭区编号不为-1；(8)在tn+1时刻重复步骤(1)～(4)。孤立区搜索是让铸件中存在的封闭区轮流进行网格扩充，每次每个封闭区只能扩充一层网格，同时规定已经扩充入某一封闭区的网格，不能再扩充入其他封闭区，直到所有固相率大于临界固相率但小于1的网格被划分完为止。总型腔扩大值的计算方法如下假定与孤立区对应的铸件外壳单元的凝固速度大致相近，各单元对型腔扩大所起的作用大致相当，设铸件外壳单元共有N个，单元的体积为Ve(i)，则外壳单元i的固相率从0.7增长到1.0的过程中引起的型腔扩大表达式为 Vm(i)=Ve(i)Σi=1NV(i)e·Vm...(1)]]>假定外壳单元所引起的型腔扩大与其固相率增长成线性关系，则当孤立区形成时，若单元i的固相率为fs(i)，则该单元从此时到完全凝固将引起ΔVm(i)的型腔扩大，fs(i)≤0.7 ΔVm(i)＝Vm(i) (2)fs(i)>0.7,ΔVm(i)=1.0-fs(i)1.0-0.7·Vm(i)...(3)]]>对所有外壳单元计算ΔVm(i)，进行累加，得ΔVm=Σi=1NΔVm(i)...(4)]]>此即该孤立区自形成至凝固结束的总型腔扩大值。本专利技术具有如下优点1、本专利技术在球墨铸铁件凝固过程的计算中采用从微观组织形成机理动态考虑石墨化膨胀和型腔扩大的影响，能够准确预测球墨铸铁件缩孔缺陷的大小和位置，为球墨铸铁件的缩孔缺陷提供定量化的预测，从而为优化铸造工艺设计提供支撑，以指导工艺实践。2、本专利技术采用有限元算法对球墨铸铁件凝固过程中的收缩和膨胀动态叠加过程进行了孤立区搜索，获得了孤立区的体积变化，较常用的有限差分算法能够更好的描述复杂铸型型壁，从而更加准确的计算型腔扩大值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于有限元的球墨铸铁件缩孔缺陷预测方法，采用图的广度优先搜索法处理铸造工艺分析过程中的海量有限元数据技术，在凝固过程计算中从微观组织形成机理动态考虑石墨化膨胀和型腔扩大的影响，通过输入温度场结果和铸件几何文件，设置控制参数及计算参数，进行封闭区搜索、孤立区搜索和总型腔扩大计算，最终得出孤立区体积变化值，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤１、采用基于有限元的商用工艺模拟ＰｒｏＣＡＳＴ对球墨铸铁件进行充型和温度场分析，取得该铸件选定步长范围内的温度场文件和几何文件， 并用ｖｉｅｗｃａｓｔ将温度场文件和几何文件输出为通用有限元温度文件格式和几何文件格式；步骤２、根据温度与固相率的对应关系计算出各有限元的单元固相率，同时由几何文件根据单元坐标计算出单元体积，根据该铸件的化学成分计算出共晶转变时的共晶 膨胀率；步骤３、采用有限元算法对起始步Ｔ＝１进行处理，其中Ｔ为步长，根据上述计算得出的各有限元的单元固相率，结合几何文件数据对上述固相率场进行封闭区搜索，铸件中相互连通的固相率小于临界固相率的单元中，被该固相率等值面包围的区域即为封 闭区；步骤４、在上述搜索得到的封闭区内进行孤立区搜索，每一个封闭区都对应相应的孤立区，利用单元扩张的办法，直到所有的孤立区单元都属于某一个孤立区，同时搜索孤立区与铸件外表面接触的边界单元，根据边界单元的总表面积计算出总型腔扩大值；　 　步骤５、转入下一个计算步Ｔ＝ｎ＋１进行循环，其中Ｔ为步长，搜索该步的封闭区和孤立区，如果上一步长的孤立区派生出新的孤立区，则对新的孤立区进行编号，同时计算该孤立区的体积变化和型腔扩大值，按此方法，直到完成所有计算步的搜索；步骤 ６、根据上述计算得出的总型腔扩大值、单元体积值和共晶膨胀率对搜索得到的孤立区进行体积变化的计算，并将孤立区体积变化值输出，根据该体积变化值和孤立区开始形成时的体积量、孤立区的位置即可对该铸件的收缩缺陷进行定量化判断。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马敏团，陈鹏波，黄引平，郝炜，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第十二研究所，
类型：发明
国别省市：61[中国|陕西]