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国内铸造数值模拟的现状和发展趋势分析


我国铸造模拟仿真研究早在20世纪80年代就开始了。经过三十多年的努力,已经建立了完善的铸造过程模拟仿真研究体系,包括各种铸造方法,如砂型铸造、消失模铸造、精密铸造、压铸、低压铸造、离心铸造等;各种合金,如铸铁、铸钢、铝合金、镁合金、镍基高温合金等。开发的模拟分析软件包括传热分析、充型流动、应力变形、组织模拟等,也在逐渐将充型凝固过程的模拟扩展到整个铸件生产过程,如铸件凝固后冷却、落砂清理、后续热处理等,初步实现了全过程的模拟仿真。一些商品化软件已在实际生产中发挥了越来越重要的作用,如清华大学的铸造之星、华中科技大学的华铸CAE等。自主软件适应国内铸造企业和铸造工艺的情况,定价低,在中小企业中的地位比较稳固。

 

近几年来,我国铸造模拟仿真技术在轻金属材料铸造成形方面的研究和发展势头强劲。面向汽车、军工等行业对高性能轻金属结构件铸造成形技术的需求,积极开展铝、镁合金铸造及凝固过程宏/微观建模与仿真研究。我国也积极开展了铸造模拟仿真技术在航空发动机叶片制造中的应用,并且已经取得了较好的应用效果和经济效益,研究水平与国际尚有一定差距,但有自己的特色。铸造模拟仿真技术在我国大型铸锭及铸件相关研究中的应用仍处于初步阶段,与国外先进水平仍存在较大差距。目前大多数研究只是针对大型铸锭及铸件生产过程中的某一环节,如针对大型铸锭/铸件凝固过程缩孔缩松等缺陷的形成,针对大型铸锭/铸件热处理微观组织的演变等。

  

国外铸造模拟仿真的现状及发展趋势

 

国外铸造模拟仿真研究早于国内,早在20世纪60年代就已经开始对铸造充型,凝固过程进行数值模拟。几十年的发展使铸造过程模拟仿真无论在科研领域,还是工业生产领域都全面领先国内。如今铸造的充型过程与凝固过程方法已逐渐趋于完善。铸造热应力场数值模拟技术由于多种原因,其研究进展相对缓慢,主要是没有可靠的理论和方法来准确描述应力和应变形成过程。国外铸造组织模拟始于20世纪60年代,但受制于计算机科学的限制以及数值模拟计算模型等方面,直到90年代中后期才有了一个飞速发展,涌现出来了许多微观组织模拟方法。从目前情况来看,国外铸造数值模拟技术在理论上正趋向成熟,已出现了许多商品化的铸造数值模拟软件,如ProCAST、MAGMA、AnyCasting、NovaCast、JSCast、FLOW-3D等,并已在多种铸造方法中广泛应用,在规模以上企业中得到了普及。

 

铸件充型凝固过程计算机模拟仿真的基础研究重点正在由宏观模拟走向微观模拟。微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级,涉及结晶生核长大、树枝晶与柱状晶转变到金属基体控制等各个方面。另外,质量控制模拟正在向微观组织模拟、性能及使用寿命预测的方向发展。国外很多学者也在研究多尺度、全过程的模拟,探索如何实现宏、介、微观之间模型的耦合计算问题。

  

国内外数值模拟的的差距

 

(1)国内在某个单独方向有很好的研究成果,但整个过程的系统化研究则很少涉及。

 

(2)国外在宏观的液态金属充型过程实验表征和微观的金属凝固过程观察方面做了大量研究,国内这方面的研究工作较为薄弱。

 

(3)智能化铸造工艺设计技术在国外已经开始出现,而国内仅限于少数高校或研究所。

 

(4)国内对于搭建铸造材料热物性参数数据库的基础研究工作较少,相关配套基础薄弱,没有专门的数据库,没有材料数据的热力学计算软件,完全依赖国外软件。

 

(5)自主开发商品化铸造模拟仿真软件方面还很弱,软件占有率不高,更缺乏在世界上的影响力;铸造模拟仿真软件缺乏商业运作,在与公司化运作的国外模拟仿真软件竞争中不占优势;自主研发软件资金、技术、人员投入较少,发展缓慢。

 

(6)我国铸造行业大而不强,附加值低,利润率低,难以支撑大的技术改造和长远发展投资,而且知识产权保护意识淡薄,力度不够,因此造成正版软件购买率低,软件开发利润薄,从而介入该领域的热情低。

  

我国铸造数值模拟的发展思路

 

截至目前,我国铸造企业应用铸造过程数值模拟软件还不够普及,配套的铸造材料热物性参数、缺陷判据参数和边界条件数据库不系统不完整,影响计算精度和工程应用水平。轻金属和高性能铸铁铸造过程数值模拟还主要集中在宏观尺度,多尺度多物理量耦合数理建模及铸件微观组织、力学性能和服役寿命预测研究和应用亟待加强。国内航空发动机和地面燃气轮机用高温合金单晶/柱晶叶片数值模拟软件研发水平和工程应用水平落后。国内少数几家铸造企业采用两相流数值模拟技术优化制芯工艺,但所采用的商业化专用软件为国外公司开发。

 

针对目前铸造数值模拟存在的问题,我国应该进一步加大铸造数值模拟技术的产学研相结合,以企业需求作为驱动力,实现铸造数值模拟技术创新上、中、下游的对接与耦合;同时加大铸造数值模拟投入,集合我国铸造数值模拟技术研究以及应用的优势单位,重点开展铸造数值模拟的系统化、智能化、集成化以及实验支撑等相关工作。

 

部分摘自:《铸造行业“十三五”技术发展规划纲要》

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