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1、热加工工艺过程模拟与仿真,报告内容,意义 工艺模拟工艺模拟研究方向微观组织模拟微观研究方向结论,热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，难以直接观察。材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。要控制这个过程使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态，必须使缺陷（如缩孔、缩松、热裂等）减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一切很难直接观察到，间接测试也十分困难。,1、意义,热加工是装备制造业的基础，热加工产品的质量和成本直接影响着后道工序的产品质量和经济效益。,传统的热加工工艺
2、设计只能凭经验，采用试错法(Test and Error Method)，无法对材料内部宏观、微观结构的演化进行理想控制。,如三峡水电机组，单机容量达70万千瓦，五大部件(转轮、蜗壳、主轴、座环、顶盖)的重量和尺寸均居世界第一。其转轮直径达9.8米，重量达500吨，由于大件形大体重，品种多，批量小，生产周期长，造价高，迫切要求“一次制造成功”，一旦报废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。,总之，热加工工艺经历了从技艺手册指导专家系统的过程，要达到更为完善的水平，必须进行过程/工艺模拟。因为只有通过模拟仿真，人们才能认识过程的本质，预测并优化过程的结果，并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工艺
3、的改变。,热加工工艺过程模拟内容包括：宏观介观微观 材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟(米量级)进入到以预测组织、结构、性能为目的的介观尺度模拟(毫米量级)（缩孔、缩松、夹杂、宏观偏析、热裂、冷裂）及微观尺度模拟阶段（微米级）（结晶、再结晶、微观偏析、扩散、气体析出、相变等，甚至达到单个枝晶的尺度）。,模拟目的主要是解释事物的本质，根据经验及凝固理论，推测产生缺陷的位置，并验证理论的正确性。工艺模拟可以做到事前预测，防止缺陷发生。由于材料形成过程的复杂性，要真正做到仿真还是有一定的距离。,2、宏观工艺过程模拟（以支承辊
4、为例）,支承辊的材料为Cr4，其化学成分如下：,零件净重26吨,铸件：重40吨1435mm1615mm4926 mm,造型,铸型预热,铸型装配,浇注,打箱,去应力及均匀化热处理,粗加工,差硬热处理,精加工,组织及力学性能检测,钢水冶炼,无损检测,铸造工艺设计,大型铸钢支承辊整体铸造工艺设计,铸钢支承辊生产流程图,铸造工艺计算机模拟流程图,自然冒口，从底部到顶部的顺序凝固方式,无气隙平稳充型浇注系统,整个工装有9m高，总重约130吨。,整体铸造工艺装配图,应用计算机模拟技术进行工艺设计,设计冒口验证浇注系统设计是否合理设计铸型确定浇注工艺参数确定打箱时间,2.1.1 计算机模拟方法设计冒口,传统
5、冒口设计方法,模数法比例法补缩液量法三次方程法,计算无冒口铸件的凝固过程,计算冒口,计算机模拟方法,2.1 工艺初步设计及其计算机验证,冒口计算结果,计算的高径比为1的冒口,计算的高径比为1.5的冒口,选用高径比为1.5 冒口,2.1.2 浇注系统设计,开放式浇注系统,封闭式浇注系统,2.1.3 铸型设计,顺序凝固原则,金属型挂砂工艺,凝固速度最快，定向向辊身凝固，圆弧处快速建立起强度,获得柱状晶组织，提高金属型使用寿命,2.1.4 铸型材料的选用,金属型,铸铁,砂型,铬铁矿砂,碱性酚醛树脂,锆英粉涂料,保温材料,保温板发热覆盖剂,直浇道底部和横浇道,耐火砖,2.1.5 铸造工艺整体设计思想,
6、整体设计思想,充型过程获得纯净金属液,凝固过程实现顺序凝固,1.充型过程模拟（计算机验证浇注系统设计是否合理）,模拟的初始条件：浇注温度为1540，铸型预热温度为150,剖分网格数为100万单元。,铸钢支承辊组装图,带浇注系统铸钢支承辊,充型模拟可以预测卷气、浇不足和冷隔缺陷。,2.1.6 铸造工艺初步设计验证,流场模拟结果,(a)t=2s,(a)t=3s,(c)t=565,(a)(b)(c)(d)温度场模拟结果,2.温度场模拟（计算机验证冒口设计是否合理）,充型凝固后产生的缩孔,缩孔深964mm,缩孔位置模拟验证初次工艺设计思想是否合理,方案一的装配图,初始条件：浇注温度为1540，铸型预热
7、温度为150，铸件/铸型的界面换热系数为1000W/m2 K，剖分200万单元,方案一：下辊颈金属型直径2500mm.方案二：下辊颈金属型直径2167mm.,2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案,方案一温度场模拟结果,(a)t=3745s,(b)t=7320s,(c)t=14471s,方案一缩孔模拟结果,缩孔深1046mm,方案二温度场模拟结果,(a)t=3625s,(b)t=9013s,(c)t=16237s,方案二缩孔模拟结果,缩孔深度为948mm,优先选用第二种方案金属型重量减轻20吨,不同浇注温度、铸型预热温度、界面换热系数的缩孔模拟结果,Tp:1540Tm:150，H:11
8、00W/m2 K,Tp:1580Tm:150，H:1100W/m2 K,Tp:1540Tm:100，H:800W/m2 K,Tp:1510Tm:100，H:1500W/m2 K,确定浇注工艺：,浇注温度15505，铸型温度控制15010,2.3 确定浇注工艺参数,2.3 工艺模拟试验验证,500kg小型轧辊装配图,加工后的小轧辊,验证造型材料的使用性能,确定造型工艺,验证浇注系统.,500kg轧辊的充型过程模拟结果,超声波探伤缺陷位置示意图,计算机模拟预测缩孔位置,2.4 生产实践,大型铸钢件实际浇注过程,轧辊的铸造毛坯,铸钢支承辊毛皮粗检,铸件整体表面质量完好,粗加工后探伤内部没有缩孔缺陷,
9、应力场模拟及热裂预测,铸造过程应力模拟的数学模型,热弹性模型热弹塑性模型热粘弹塑性模型Heyn模型Perzyna模型内部统一变量模型准固相区间的流变学模型,精确度高，应用广泛,热裂理论与热裂判据,当铸件中的薄弱环节(如热节中的脆性区或液膜等)的应力或者变形超过某一临界值时就会导致热裂纹的产生,模拟中采用基于应变的判据,第一次浇注工艺的轴向应力模拟结果,(a)t=10h 10min,(b)t=13.5h,改进工艺方案的轴向应力模拟结果,(a)t=5h,(b)t=6.8h,两种工艺方案的最大应力相同，但改进方案作用时间短,热裂倾向预测结果,第一次浇注方案 t=10h 10min,改进方案 t=5h
10、,第一次浇注工艺的热裂倾向是改进工艺的2.5倍,3、宏观工艺模拟研究方向,1）单一分散耦合集成 模拟功能由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场模拟进入耦合集成阶段。包括：流场温度场；温度场应力/应变场；温度场组织场；应力/应变场组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。,2）共性、通用专用、特性 由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术的日益成熟及商业化软件的不断出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题：,(1)解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题 铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造
11、、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等。,(2)解决热加工件的缺陷消除问题 大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问题，铸件的热裂、气孔、偏析；大型锻件的混晶；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、热裂；淬火中的变形等常见缺陷的预防和消除方法的研究。,3）重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个专业学科的研究人员通力合作才能有所突破。,4）重
12、视物理模拟及精确测试技术 物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。,(1)与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成 美国金属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资助下，正在开展并行工程环境下的RP2D(Rational Product/process Design)技术。将铸造工艺模拟与产品、模具设计和加工结合起来。,5）工艺模拟与生产环节集成 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分。起初，工艺模拟多是孤立进行的，结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛坯件生产。近年来，已
13、逐步进入大量生产的先进制造系统中，实现以下三种不同方式的集成。,(2)与零件加工制造系统集成 在零件加工制造系统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一方向努力,（3)与零件的安全可靠性能实现集成 美国西北大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果与铸件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开发了铸件的安全临界设计系统(Safety critical casting design system)，用于指导铸件的损伤容限设计。,常用软件,经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件 主要有ProCast、Simulor、SolDIA、SolSIAR、AFS
14、Solidification System3D(铸造)、ViewCAST、EForm、AutoForge、SuperForge(体积塑性成形)、DYNA3D、PAM-Stamp、ANSYS(板料塑性成形)、ABAQUS 等。,4.微观组织模拟,随着铸件宏观凝固模拟技术的进一步完善，人们开始将目光转向铸件微观组织的模拟。铸件微观组织是决定铸件产品最终质量的一个关键因素,它直接影响到铸件的使用性能。,微观组织模拟中的固液界面 纯金属：温度场，因过冷而长大，受潜热释放控制。如果熔体温度低于平衡凝固温度，熔体产生过冷，如果此时有微小固相质点或受到压力等干扰，凝固开始，固液界面向液相移动，同时释放潜热，
15、其移动驱动力是界面的过冷度，凝固界面移动存在固有的不平衡性，如果一些界面周围过冷度大，生长快，凸起产生，直到驱动力受到如表面张力、界面动力学效应等其他因素的平衡作用。合金：浓度场，温度场。受潜热释放及溶质扩散控制 对于小于1的溶质平衡分配系数，溶质被排斥在界面附近，随着枝晶的,（1）与时间相关的界面形貌：分枝、分叉、合并等。（2）界面一些状态变化的不连续性，如材料的物理性能（比热、热导率等）、温度场、浓度场等。,向液相扩散，由于溶质扩散系数小，溶质在界面附近聚集，因此在界面前方很小区域内产生成分过冷。因而潜热释放及溶质扩散控制着枝晶生长。大多数金属，溶质扩散系数比热扩散系数要小3-4个数量级，
16、溶质扩散是影响枝晶生长速度的主要因素。枝晶生长中的复杂性：,（3）晶体位向、表面张力的各向异性导致各方向生长速度不同。,（4）跨尺度模拟，表面张力在纳米层次，热和溶质的传输在到毫米尺度，宏观对流在米一级。溶质扩散距离比热扩散距离小3-4个数量级，而比界面能的影响距离大1-2个数量级。,显微组织模拟分类,确定论模型(deterministic modeling)（1）相场法(Phase Field Method)相场变量(1时表示固相；-1或0时，表示液相)代替尖锐的界面，通过微分方程反映有序化势、热力学驱动力和扩散的影响。相场方程的解描述了金属系统中固-液界面的形状、曲率及其运动变化。相场方程
17、与外部质量、热量和速度方程的耦合,为更真实地模拟合金凝固过程显微组织的演化规律。缺陷：由于相场方法所划分的网格必须小于界面层的厚度，这样才能准确描述出界面，这就要求剖分的网格必须很小，因而限制了它的计算规模。可模拟的尺度较小。,（2）界面跟踪方法（Front-Tracking Method）固液界面必须满足Gibbs-Thomson条件，从而能够反映在具有不连续的热物理性质的界面区域内的固液界面演变情况。可较准确地确定固液界面位置，不依赖于网格剖分形状的选取。缺陷：界面跟踪算法复杂,(3)水平集方法(Level Set Method)level-set方法与相场方法类似，只是在对于界面的定义为
18、处为固液界面，而不需要引入一个变化的界面层厚度。这种方法同样不能扩展大尺度，不能反映凝固过程中的一些随机现象，比如形核位置。,概率论模型（1）Monte Carlo法 以最小自由能为基础，通过考虑不同位置(例如液体/固体位置或属于不同晶粒位置)的能量和根据随机产生的晶核，实现液态向固态的转变。缺陷：缺乏物理基础，例如对晶粒生长的模拟取决于Monte Carlo网格，没有考虑枝晶尖端的生长动力学和择优取向，所以用这种方法模拟的柱状晶区晶粒择优生长不能完全反映实际的物理现象，同时其模拟时间不能与实际的物理时间量一一对应。,（a）二维枝晶形貌(b)枝晶生长(3D),柱状晶动态生长过程,（2）元胞自动
19、机法(Cellular Automata Method)元胞自动机方法要求枝晶长大的凝固过程必须是稳态、近似平衡的状态，因而，无法模拟非稳态的枝晶生长。另外，利用元胞自动机方法描述枝晶生长的过程就是界面捕捉邻近液相单元的过程，这种方法不可避免的具有依赖网格形状的特性。其次，由于这种模型对界面曲率采用平均曲率的办法，因而也无法知道固液界面真实的位置和形状。,TiAl合金在种晶数量为4、温度梯度10K/mm条件下，不同冷却速度下柱状枝晶演变模拟形貌 a）R=1K/s,t=6s；b）R=1K/s,t=26s；c)R=10K/s,t=3.6s,TiAl合金在晶种数量为2、温度梯度10K/mm条件下，不
20、同冷却速度下柱状枝晶演变的模拟形貌(a)R=1K/s;（b）R=1K/s;（c）R=3K/s；（d）R=4 K/s；（e）R=5K/s；（f）R=6K/ss；(g)R=10K/ss；(h)R=12K/s,TiAl合金温度梯度10K/mm，凝固时间为3.6s,柱状枝晶演变模拟形貌（a）1个种晶，R=3K/s；（b）2个种晶,R=6K/s；（c）4个种,R=10K/s；（d）6个种晶,R=15K/s,TiAl合金在晶种数量为6、温度梯度10K/mm条件下，凝固时间为2s时，不同冷却速度下溶质的扩散长度（a)R=0.5K/s；（b）R=5K/s；（c）R=8K/s；（d）R=10K/s；e）R=12
21、K/s,型壁形核对定向生长的显微组织的干扰作用（NiAl合金）,晶种2 晶种2,AlSi合金,连续冷却形变奥氏体铁素体相变组织演化的元胞自动机模拟结果,在成熟软件（如：ABAQUS）基础上的显微组织演变模拟,5 微观模拟研究方向,（1）、形核问题。形核时间、数量、晶核分布及其运动状态等形核理论仍不完善，还需进一步准确建模。,（2）、液相流动的处理。液相流动状态对于最终的组织形态和成分分布的影响不容忽视。将流动与组织演变统一起来，是组织模拟发展的一个重要方向。,（3）、实验手段。先进的实验手段是确定理论模型是否精确的重要依据，它同样能够促进凝固形核理论的发展。,（4）、多尺度计算。这是将组织模拟与实际生产实际联系起来的一种重要手段，这就要求从微观组织演变与宏观物理量建立一个统一的模型，使得所建的物理模型正确、数学模型优化、具有可操作性。,6 结语 1）计算机模拟技术为铸造工艺设计提供科学依据，使计算机模拟技术的应用由以往研究工作的事后缺陷预报提升为事前工艺设计水平。2）过程/工艺模拟改变了从技艺手册指导专家系统等单纯依靠经验进行生产的历史。通过模拟仿真，预测并优化过程的结果，并对快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工艺的改变。3）通过过程模拟，使设计与制造联成一体，为实现快速设计、制造，拟实设计、制造以及分布式设计、制造奠定坚实(技术)基础。,谢 谢！,
