数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用.pdf

文章编号:():./.数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用王永振李乐川殷亚军计效园沈 旭刘 霄周建新(.中国铁建高新装备股份有限公司云南 昆明.华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室湖北 武汉)摘 要:通过测定不同种类的合金材料、砂型和冒口的铸件实际降温曲线来优化热物性参数提高碱酚醛树脂砂仿真精度 首先基于华铸 与参数反求技术在不同条件下对铸件开展正交试验建立铸件的降温曲线 其次对于各类铸件实际测温并对比与降温曲线的相似度进行误差分析 最后根据对比结果选取与实测的降温曲线最接近的模拟曲线确定热物性参数 正交试验表明当温度在 时反求之后的实际测温曲线与模拟曲线的相似度大于两者吻合良好关键词:数值模拟热物性参数反求碱酚醛树脂砂中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:王永振李乐川殷亚军等.数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用.轨道交通材料():.基金项目:国家重点研发计划项目()收稿日期:作者简介:王永振()男硕士高级工程师从事铸造、热处理研究 在铸造过程数值模拟中对铸件与铸型的热物性参数的反求是重要的基础支持热物性参数的准确程度可以直接影响铸造数值模拟的优劣 基于此研究者们提出了各种基于理论和试验的热物性参数反求方法 包括非线性最小二乘法、试验测试法、试验模拟正交对比法等 张卫红等提出了一种结合数值预测、优化和有限的试验数据来确定复杂叶片铸造过程中界面传热系数的新方法 通过获得铸件和模壳的表面温度来揭示凝固过程中界面传热的复杂机理并提出了将模 环境 与凝固时间相关联的幂函数 等基于梯度的最陡下降法计算了内腔的未知空间和随时间变化的三维逆几何形状精确地获得了不规则区域的外表面温度的分布 等使用人工神经网络的优化方法计算了对流换热系数 郝炜等将实测温度数据 数值模拟与凝固过程中的界面换热系数反求相结合得出铸件/铸型界面间的换热随温度变化关系通过参数反求进行逆运算 确定了铸铁材料与铸型材料间的界面换热值 田桥等针对消失模铸造过程通过实时测温得到凝固曲线并利用反求原理得到降温曲线最终确定了合金的热物性参数 等提出一种基于多目标优化的反演技术用于确定复合材料损伤和失效机制的模型参数的识别对复合材料薄壁圆筒进行了试验测试和有限元分析 提出了将有限元方法和反分析方法应用到材料本构参数求解中 在有限元求解中考虑了静态回复过程并基于神经网络识别了黏塑性本构模型中的材料参数在轨道交通铸件生产中碱酚醛树脂砂应用广泛 但是由于不同树脂砂的保温性等特性有差异在基于华铸 进行模拟仿真时模拟结果与实际结果存在偏差在一定程度上影响了产品工艺的稳定性给产品的质量带来了隐患同时增加了生产成本 因此需要对碱酚醛树脂砂热物性参数进行反求并最终提升模拟仿真的精度为此本文针对碱酚醛树脂砂的特点以及铸造过程的复杂性开展了一系列正交试验 首先设计了多组合金、砂型和冒口种类的铸件测温试验获得温度测量数据并进行对比分析 其次对于结果的误差进行计算分析从而计算出热物性参数 最后通过模拟仿真与浇注试验的对比来检验新生成的热物性参数在模拟计算中的有效性热物性参数反求的总体方案如图 所示 首先对于特定位置的凝固温度曲线进行实际测量其应用研究 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月次基于华铸 进行正交试验获取特定位置的温度曲线然后比较两类曲线针对不同的影响因素调整物性参数 再重复获得曲线与调整参数的过程直到两个曲线误差在一定范围内则可视为曲线吻合这时所获得的热物性参数即为最优参数图 参数反求总体方案图 测温试验与数据分析本文设计了阶梯型铸件的测温试验模型(见图)并且对阶梯型铸件的每一个不同厚度处的中心进行测温从铸件内部到靠近铸型界面处均布置了测温点(见图)以获取更加全面的温度数据 测温热电偶的编号及具体位置如表 所示 采用一模两腔的设计即一边阶梯型铸件用于测温另外一边阶梯型铸件用于对比分析在本试验中需要根据合金材料、铸型材料、冒口种类的不同来对比分析图 测温三维模型与木模造型示意图图 测温点的分布情况表 测温热电偶的编号及具体位置分类热电偶号个数热电偶分布位置铸件 厚中心铸件 厚中心铸件内部铸件 厚中心铸件 厚中心铸件 厚中心铸件冒口中心界面、铸件 厚与铸型交界铸型、铸型靠近铸件位置试验所用合金型号为、和 铸型材料为普通硅砂、硌铁矿砂和宝珠砂 采用 型()热电偶来测量材料温度全程温度不高于 采用具有较高精度的数据采集仪器在浇注过程中从开始到 的整个过程中选取 个测温点进行温度数据采集每.记录 次数据把安装好的热电偶布置在铸件相应的位置上如图 所示 数据采集仪器和铸件上的热电偶由通道线与补偿导线相连为了使温度测量更加准确使用了延长型补偿导线对环境误差进行补偿 通过上述测温试验得到合金测温曲线与砂型的测温曲线如图 所示图 测温试验设备连接示意图图 合金与砂型的测温曲线王永振等 数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月 基于华铸 的热物性参数反求.正交模拟与参数反求需要进行反求的参数如下:铸件:铸件密度、比热、导热、黏度、液相线、固相线、相变收缩率、液态收缩率、潜热 预留:、铸型:铸型密度、比热、导热 界面换热系数:铸件 空气、铸型 空气、铸件 空气、其他 结合本试验的具体情况上述部分参数有一定的参考值如表 所示表 热物性参数参考值/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/().根据上述需要进行反求的参数选取一定的参数间隔设计了如表 所示的正交试验表 该正交表可以构成 组试验 然后根据表中的参数进行 次模拟仿真计算表 正交试验设计表水平因素/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/().试验得到 组模拟仿真的温度曲线将模拟曲线与实际测温曲线进行对比如图 所示 采用相对差距和法对测温数据进行误差分析 此方法考虑了凝固曲线的不同区域的重要性是不同的比起低温区高温区的相似度更加重要 曲线划分方法如图 所示图 模拟所得的温度曲线与实际测温曲线的对比图根据得到的曲线形状将曲线分为几个部分进行分段分析和评估 综合分析权重进行极差分析获得某一部分的误差 方法为:设有 项被评价对象有 个评价指标则评价对象的指标数据库为:()设其中最优对象为 ()具体的选择方法是:对于高优指标则加强对该指标的参考权重选取所有对象中的最大的一个对于低优指标则降低图 曲线分区图王永振等 数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月对该指标的参考权重选取所有对象中的最小的一个 每个对象和最优对象的加权相对差距和为:()式中:是第 组试验中加权相对差距和值是该区域的序列数()是误差权重是各个区域中的最优样本是在第 个区域中第 组试验的区域面积的绝对值是各个区域误差的中位数采用相对差距和法进行误差分析的步骤如下:首先对比所有的模拟试验找出最优的一组通过上述方法划定不同的区域 每个区域的误差面积 其次对于某一组模拟试验根据每一个区域重要程度来定义其误差权重 然后在每个区域求出误差的区域面积并根据公式求解相对差距和值如图 所示是相对差距和法进行误差分析的示例图 该图是第 组模拟试验图中显示了 测温点的测温数据与第 组模拟试验中 位置的温度数据的对比关系 首先需要求得每个区域的误差面积例如图中的区域 的误差面积为 而 则为 的中位数 在定义了每个区域的误差权重 和找到最优的样本面积 的条件下便可以根据公式求出其相对差距和值 图 相对差距和法进行误差分析的示例图根据相对差距和法对每组试验的误差进行分析并求出每组模拟曲线中的加权相对差距和的值得出最优试验后计算最优试验中合金与砂型的模拟曲线与测温曲线的吻合程度大于 即相对面积误差小于 在此误差范围内满足要求不再进行下一次正交试验在进行误差分析后可以得到最优试验结果并且得到相应的合金和铸型的热物性参数此时所得到的参数为最优的热物性参数如表 所示表 所得的最优热物性参数/()/()/()/()/()/()/()/()/()/()/().试验验证为了验证上述模拟结果所得到的最优热物性参数的有效性以某小轴箱体为例对其进行实际浇注试验和基于华铸 的模拟仿真首先使用优化后的热物性参数进行数值模拟其次进行浇注试验并实施铸件切片试验将其与模拟结果进行对照 在铸件横向/处切开铸件得到实际铸件缺陷情况 缺陷模拟结果与实际铸件的对比如图 所示 从表面形貌来看可以呈现 字型有比较好的相似性从尺寸精度来看在铸件不同位置的深度方向上的尺寸误差均小于 因此实际缺陷与模拟结果的吻合程度较好误差较小最后将参数反求前的模拟结果、参数反求后的模拟结果、试验结果三者的温度曲线进行比较结果如图 所示 在测温试验中测量了多个点主要选择了 个典型位置包括:两个合金测试点两个砂型测试点这 个点均获得了良好的匹配 其中测温点 是对于合金的测温数据测温点 是对于砂型的测温数据 由图可知反求后的模拟结果与试图 优化热物性参数后的缺陷模拟结果与实际铸件的对比验结果更加相近热物性参数反求将模拟结果的温度曲线整体误差缩减到 以内 因此优化后的热物性参数可以实现准确的模拟 结束语不同合金铸件与铸型在使用新获取的热物性参数求得的温度曲线与实际测温曲线误差较小吻合良好当曲线在 时它们的误差王永振等 数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 反求前、后模拟结果与试验结果的温度曲线对比图小于 并且将基于华铸 模拟的反求前后的铸件缺陷情况与实际的铸件缺陷情况进行比较反求后的铸件缺陷特征更加符合实际情况并且开展了铸件切片的缺陷分析同样说明了反求之后的热物性参数具有较高的准确性参考文献:.():.():.():.郝炜 康健 马敏团 等.铸型界面换热系数的测定方法研究.热加工工艺():.田桥 田万刚 周建新 等.热物性参数反求技术在消失模铸造球铁件中的应用.特种铸造及有色合金():.:.():.:.熊守美 柳百成 许庆彦 等.铸件充型凝固过程数值模拟研究.现代铸铁():.(.):.:王永振等 数值模拟热物性参数反求技术研究及其在轨道交通铸件中的应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月