國內鑄造數值模擬的現狀和發展趨勢分析

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    1. 國內鑄造數值模擬的現狀和發展趨勢分析

國內鑄造數值模擬的現狀和發展趨勢分析

我國鑄造模擬仿真研究早在20世紀80年代就開始了。經過三十多年的努力,已經建立了完善的鑄造過程模擬仿真研究體系,包括各種鑄造方法,如砂型鑄造、消失模鑄造、精心鑄造、壓鑄、低


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我國鑄造模擬仿真研究早在20世紀80年代就開始了。經過三十多年的努力,已經建立了完善的鑄造過程模擬仿真研究體系,包括各種鑄造方法,如砂型鑄造、消失模鑄造、精心鑄造、壓鑄、低壓鑄造、離心鑄造等;各種合金,如鑄鐵、鑄鋼、鋁合金、鎂合金、鎳基高溫合金等。開發的模擬分析軟件包括傳熱分析、充型流動、應力變形、組織模擬等,也在逐漸將充型凝固過程的模擬擴展到整個鑄件生產過程,如鑄件凝固后冷卻、落砂清理、后續熱處理等,初步實現了全過程的模擬仿真。一些商品化軟件已在實際生產中發揮了越來越重要的作用,如清華大學的鑄造之星、華中科技大學的華鑄CAE等。自主軟件適應國內鑄造企業和鑄造工藝的情況,定價低,在中小企業中的地位比較穩固。
近幾年來,我國鑄造模擬仿真技術在輕金屬材料鑄造成形方面的研究和發展勢頭強勁。面向汽車、軍工等行業對高性能輕金屬結構件鑄造成形技術的需求,主動開展鋁、鎂合金鑄造及凝固過程宏/微觀建模與仿真研究。我國也主動開展了鑄造模擬仿真技術在航空發動機葉片制造中的應用,并且已經取得了較好的應用效果和經濟效益,研究水平與國際尚有一定差距,但有自己的特色。鑄造模擬仿真技術在我國大型鑄錠及鑄件相關研究中的應用仍處于初步階段,與國外先進水平仍存在較大差距。目前大多數研究只是針對大型鑄錠及鑄件生產過程中的某一環節,如針對大型鑄錠/鑄件凝固過程縮孔縮松等缺陷的形成,針對大型鑄錠/鑄件熱處理微觀組織的演變等。
國外鑄造模擬仿真的現狀及發展趨勢
國外鑄造模擬仿真研究早于國內,早在20世紀60年代就已經開始對鑄造充型,凝固過程進行數值模擬。幾十年的發展使鑄造過程模擬仿真無論在科研領域,還是工業生產領域都全方面領頭國內。如今鑄造的充型過程與凝固過程方法已逐漸趨于完善。鑄造熱應力場數值模擬技術由于多種原因,其研究進展相對緩慢,主要是沒有可靠的理論和方法來準確描述應力和應變形成過程。國外鑄造組織模擬始于20世紀60年代,但受制于計算機科學的限制以及數值模擬計算模型等方面,直到90年代中后期才有了一個飛速發展,涌現出來了許多微觀組織模擬方法。從目前情況來看,國外鑄造數值模擬技術在理論上正趨向成熟,已出現了許多商品化的鑄造數值模擬軟件,如ProCAST、MAGMA、AnyCasting、NovaCast、JSCast、FLOW-3D等,并已在多種鑄造方法中廣泛應用,在規模以上企業中得到了普及。
鑄件充型凝固過程計算機模擬仿真的基礎研究點正在由宏觀模擬走向微觀模擬。微觀模擬的尺度包括納米級、微米級及毫米級,涉及結晶生核長大、樹枝晶與柱狀晶轉變到金屬基體控制等各個方面。另外,質量控制模擬正在向微觀組織模擬、性能及使用壽命預測的方向發展。國外很多學者也在研究多尺度、全過程的模擬,探索如何實現宏、介、微觀之間模型的耦合計算問題。
國內外數值模擬的的差距
(1)國內在某個單獨方向有很好的研究成果,但整個過程的系統化研究則很少涉及。
(2)國外在宏觀的液態金屬充型過程實驗表征和微觀的金屬凝固過程觀察方面做了大量研究,國內這方面的研究工作較為薄弱。
(3)智能化鑄造工藝設計技術在國外已經開始出現,而國內限于少數高?;蜓芯克?。
(4)國內對于搭建鑄造材料熱物性參數數據庫的基礎研究工作較少,相關配套基礎薄弱,沒有專門的數據庫,沒有材料數據的熱力學計算軟件,完全依賴國外軟件。
(5)自主開發商品化鑄造模擬仿真軟件方面還很弱,軟件占有率不高,更缺乏在世界上的影響力;鑄造模擬仿真軟件缺乏商業運作,在與公司化運作的國外模擬仿真軟件競爭中不占優勢;自主研發軟件資金、技術、人員投入較少,發展緩慢。
(6)我國鑄造行業大而不強,附加值低,利潤率低,難以支撐大的技術改造和長遠發展投資,而且知識產權保護意識淡薄,力度不夠,因此造成正版軟件購買率低,軟件開發利潤薄,從而介入該領域的熱情低。
我國鑄造數值模擬的發展思路
截至目前,我國鑄造企業應用鑄造過程數值模擬軟件還不夠普及,配套的鑄造材料熱物性參數、缺陷判據參數和邊界條件數據庫不系統不完整,影響計算精度和工程應用水平。輕金屬和高性能鑄鐵鑄造過程數值模擬還主要集中在宏觀尺度,多尺度多物理量耦合數理建模及鑄件微觀組織、力學性能和服役壽命預測研究和應用亟待加強。國內航空發動機和地面燃氣輪機用高溫合金單晶/柱晶葉片數值模擬軟件研發水平和工程應用水平落后。國內少數幾家鑄造企業采用兩相流數值模擬技術優化制芯工藝,但所采用的商業化專用軟件為國外公司開發。
針對目前鑄造數值模擬存在的問題,我國應該進一步加大鑄造數值模擬技術的產學研相結合,以企業需求作為驅動力,實現鑄造數值模擬技術創新上、中、下游的對接與耦合;同時加大鑄造數值模擬投入,集合我國鑄造數值模擬技術研究以及應用的優勢單位,主要開展鑄造數值模擬的系統化、智能化、集成化以及實驗支撐等相關工作。

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國內鑄造數值模擬的現狀和發展趨勢分析 2020-12-29 本文被閱讀 694 次
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