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    對于鑄造應力導致的變形和殘余變形有著特殊的敏感性


    0引百壓鑄生產中,由于壓鑄件凝固冷卻速度不同而引起的熱應力是壓鑄件產生熱裂、變形、殘余應力和殘余變形等鑄造缺陷的主要原因。而壓鑄件鑄造過程應力集中區域的快速預測研究,能夠在壓鑄件的設計階段就預測出因壓鑄件結構因素而導致的鑄造缺陷及危險部位,為優化壓鑄件設計、改進壓鑄工藝、減少應力應變導致的鑄件缺陷、提高壓鑄件尺寸精度和使用壽命提供依據和。目前,國內外在鑄造熱應力、熱裂傾向及鑄造殘余應力預測方面取得了一些成果。這方面的研究還主要集中于采用FDM與FEM聯合分析的方法進行鑄造過程三維溫度場、應力場數值模擬分析11~31,這一方法受到有限元軟件前處理能力的限制。本文研究的鋁合金電表機架壓鑄件,其尺寸精度在電表的全壽命周期內都有著極其嚴格的要求,因此對于鑄造應力導致的變形和殘余變形有著特殊的敏感性。

      收穡日期:004-05基金項目:國家自然科學基金資助項目(69873038)國家杰出青年科學基金資助項目(69425005);浙江省自然科學基金資這需要在設計階段就對壓鑄件的鑄造應力集中區域進行模擬和預測,以便為設計人員在設計壓鑄件及制定壓鑄工藝方案時提供預先優化的依據。因此,本文提出了一種復雜壓鑄件鑄造過程應力集中區域的快速經驗預測方法。

      1結構化矩形網格自適應生成方法1.1混合層厚模型的建立目前在鑄件溫度場有限差分數值計算中主要采用規整網格,它有以下不足之處:對于形狀較為復雜的構件,為了保證不失細節性的特征,而不得不在整個機件范圍內都采用復雜區域的特征長度作為網格步長,致使剖分單元數目巨大,勢必導致大量的數據冗余,因此采用規整網格難以處理形狀復雜的鑄件。針對規整網格技術的不足采用了變網格技術對鑄件凝固溫度場進行數值模擬,該方法將溫度梯度較小區域與溫度梯度較大區域的網格處理成不同尺寸,但由于存在著一個粗網格與多個細網格相交的情況,因此其難點之處在于如何處理粗細網格交界處的過渡。針對這種情況,本文提出了自適應結構化網格劃分方法,構造了自適應變層厚的矩形網格,保證了網格的一一對應。

      2.3應力集中區域預測算法通過算法控制,自適應地生成一系列不等距的切片族來切割實體:在形體復雜度較小的區域采用較大的切割間距(層厚)而在形狀變化劇烈的區域則采用增加切面的方法增加剖切密度,從而得到一組封閉切線輪廓,進而對平面封閉輪廓內部區域進行二維網格剖分。通過建立混合層厚模型自適應地得到了一個三維空間中的結構化矩形網格集實現高效、精確地逼近壓鑄件的實體真實形狀。

      1.2三維結構化矩形網格生成算法切平面Zi與STL文件模型各個數據段的小三角面交線集構成了該面上的輪廓線C(Z,)只有一個點或僅有邊界而無內部區域的輪廓稱為蛻化的輪廓。小三角形用雙參數方程表示為三角形的三個頂點的位置矢量,U均為參變量三維結構化矩形網格生成算法如下:對當前切平面Z,當小三角面片鏈表不為空,而且若前切面與小三角形有交,則計算當前交線的端點參數to、ti、u、ui,并輸出交線集。

      計算當前切平面與實體表面模型的交線集進行交線集歸并,生成交線輪廓集。

      對于生成的輪廓集用射線法判定其內外區域。在輪廓集包圍區域內部,進行二維正交均勻網格劃分。

      在二維正交均勻平面網格的基礎上,用當前切層厚度作為第三維上的網格高度,生成當前層上的矩形網格。

      對下一個切平面繼續執行(1)。

      通過采用剖切平面族對幾何實體的空間體信息進行提取,most終建立起離散化的復雜、多孔洞壓鑄件的體幾何模型。在采用多維數組儲存離散化的壓鑄件體信息時,采用其中的一維數組儲存節點的體表屬性。將屬于復雜壓鑄件體表與體內的節點賦予不同的屬性值,以便于在基于結構化網格的壓鑄件結構分析中采用掃描線法來提取復雜多空洞壓鑄件的體信息。

      電表機架壓鑄件剖分后得到的結構化矩形網格集見。

      2基于壓鑄件溫度場及結構分析的鑄造應力集中區域預測在壓鑄件產品開發中,經常由于壓鑄件結構設計方面的原因而導致出現熱裂或在某些部位存在較大的殘余應力和殘余變形。這種鑄造缺陷嚴重電表機架壓鑄件剖分后得到的結構化矩形網格集影響了壓鑄件的成品質量和使用壽命。本研究的對象是作為計量器具的機械電表機架的壓鑄件,在機械電表中電壓器件與電流器件之間的間隙要求在±005mm之內,在電表的全壽命使用周期內機架壓鑄件任何微小殘余變形都將使電表產生計量精度誤差變化。因此在電表機架壓鑄件的設計階段就需要對機架的造型文件預先進行應力集中區域預測,找出上面由于壓鑄件結構因素導致的熱裂及變形危險區域為設計人員在設計壓鑄件結構以及確定壓鑄工藝方案時提供了預先優化的依據。

      2.1壓鑄件鑄造應力集中區域形成機理鑄件凝固過程中所產生的熱應力,是由于鑄件各部分之間的凝固速度不同使得金屬變形受阻所產生的。而壓鑄件更容易產生裂紋和變形缺陷,這是由于金屬型本身沒有退讓性,壓鑄件在金屬型中冷卻過快,這種鑄模內壓鑄件的冷卻不均勻,造成了熱應力和變形,結果導致壓鑄件成品上產生熱裂和較大的殘余應力和殘余變形。x-Voldata|m. =05線的第一個搜索步長處的點與實體體內點相交。

      此后分別用第二個、第三個及更多個搜索步長處的點與實體體內及體表點的集合求交。

      =05)//此時第一條掃描線的第m個搜索步長處的點與實體體表點相交,表示此時掃描線已穿出實體。

      描線的Ad值等于m加1個搜索步長。

      同理可求得其余19條掃描線的Ad值。

      在計算中需要分別面對以下5種情況:①掃描線先進入實體內部后,再從實體的另一表面穿出,如上面的程序所示;②掃描線先沿實體表面行進一段距離后,再進入實體內部后從實體的另一表面穿出;③掃描線先沿實體外的空間行進一段距離后,再進入實體內部后從實體的另一表面穿出。④掃描線先沿實體外的空間行進一段距離后,再離開實體;⑤掃描線不與實體相交,直接向外發散。

      在檢測運算中,只有情況①才具有檢測的實際意義。對于其他情況,其掃描線的Ad為零,不予考慮。

      求得某一表面節點的各條掃描線的Ad值后,就可以通過比較各條掃描線的Ad值的大小來確定該表面節點的區域歸屬。

      =1;//此時該表面節點的所有掃描線的Ad值均小于等于一給定值a則該節點屬于薄壁區。

      =//此時該表面節點的所有掃描線的Ad值均大于給定值a則該節點屬于厚壁區。

      =3;//此時該表面節點的掃描線的Ad有大有小,則該節點屬于幾何形狀劇烈變化區。

      判斷出屬于薄壁與厚壁相鄰的幾何形狀劇烈變化區的表面節點后,系統對這些檢測出的應力集中區域的表面節點加以標記,以便在可視化顯示時用顏色加以警示。

      3應用應用本文提出的預測方法,開發了用于復雜薄壁壓鑄件的凝固過程計算機模擬及可視化系統。這使得壓鑄件設計開發人員在產品設計階段就能夠了解壓鑄件凝固過程中的溫度場變化及可能出現的熱裂、殘余應力和殘余變形缺陷,并以此為依據來指導優化壓鑄件的設計以及壓鑄工藝的制定。通過本軟件在電表機架壓鑄件設計中的應用,減少了以前在壓鑄產品開發中所必須的產品中間試驗環節,提高了產品開發的效率,降低了成本。通過應用該軟件使得壓鑄件的次品率有了明顯的下降。


    【上一個】 大型薄壁鋁合金鑄件樹脂砂型低壓鑄造設備的研究 【下一個】 鑄件顯微硬度測試也是檢測包埋材料是否合適的一個敏感指標

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