一种基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷检测方法与流程

本发明属于重力铸造凝固过程中的缩孔预测相关技术领域，更具体地，涉及一种基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法。

背景技术：

合金密度随着温度变化导致凝固过程中合金体积略有减小，金属液的补缩造成部分区域缺少外部金属液补充而产生缩孔或者缩松缺陷。对于铸件来说，设计合适的浇注系统及冒口，减少或者完全避免铸件本体上的缩孔缩松缺陷至关重要。凝固过程开始之前，液体补缩通道较为畅通；当凝固过程开始以后，在金属液体中逐渐形成固体形核颗粒，固体形核颗粒使得粘度逐步增加，导致在半固态金属液中的补缩的流速逐步降低，最终产生集中缩孔，而研究铸件中收缩缺陷的形成机理通常采用实验与理论相结合的方法。然而，重力铸造凝固过程中缩孔的形成和生长受很多因素影响，除了合金固有的特性及参数以外，外界因素的影响也至关重要，其中重力场和大气压强的影响不不容忽视。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，如为了简化模型，大多数算法均以简单的临界固相率，作为判断多个孤立液相区的方法，而对于缩孔在每一步的分布状态，则直接假设缩孔会分布在形式上的最上端，导致孤立液相区的搜索判据及孤立液相区内缩孔分布规律不完善，影响了预测精度。相应地，本领域存在着发展一种精度较高的重力铸造缩孔缺陷预测方法的技术需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于动力压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法，其基于重力铸造缩孔的特点，针对重力铸造缩孔预测方法进行了设计。所述重力铸造缩孔缺陷预测方法可在有限的时间内，依据浇注系统的三维模型、相应的材料物性参数及铸造工艺参数，较为准确地模拟出此铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对实际生产具有很好的参考价值。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法，其包括以下步骤：

(1)构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，将所述浇注系统进行初始化，此时，整个金属液区域为一个(父)孤立液相区；

(2)通过达西定律的运动方程推导出克服各孤立液相区之间的补缩阻力所需的临界压强值，将所述临界压强值作为孤立液相区搜索的边界判据，依据所述边界判据搜索出某时刻的孤立液相区的分布；若此时刻有孤立液相区存在，则转向步骤三；否则结束；

(3)先后判断孤立液相区是否分裂及湮灭，如果分裂，则转向步骤四，如果孤立液相区未分裂，则进而判断孤立液相区是否湮灭，如果没有湮灭，转向步骤四，否则转向步骤五；

(4)标记各个孤立液相区，基于所述边界判据搜索每个孤立液相区该时刻的缩孔的分布后，计算各孤立液相区的收缩增量，同时搜索各个孤立液相区内压强最小的所有网格，以将各个孤立液相区的收缩增量均分并叠加到搜索得到的所有网格上；

(5)根据平衡方程“固相率+液相率+缩孔分数＝100％”计算液相率，同时更新所有区域的液相率后，增加时间步长至下一时刻并转到步骤二进行循环，直到所有的孤立液相区均消失，以得到最终的缩孔分布。

进一步地，所述临界判据是孤立液相区连通与否的判断条件。

进一步地，推导所述边界判据时将凝固糊状区作为多孔介质进行处理的，其中凝固糊状区的金属液的补缩速度与温度场的变化相关联；搜索孤立液相区的分布时，假设在每一时刻流体均处于准静态过程，则流体在重力场内满足最小势能原理。

进一步地，所述临界压强由以下公式计算获得：

其中，fs为固相率，fl为液相率、ct为二次枝晶臂间距系数、ρs为固相密度、ρl为液相密度、μ为黏度、dx为空间网格步长、为温度场变化率、g为温度场梯度。

进一步地，缩孔的分布分为三种情况：①若孤立液相区内金属液与环境空气不存在接触面，则缩孔将分布在该孤立液相区内金属液压强最小的位置；②如孤立液相区内金属液与环境空气存在接触面，且金属液内的最小压强大于0，则缩孔将分布在该孤立液相区内金属液与空气的接触面上；③如孤立液相区内金属液与环境空气存在接触面，且金属液内最小压强等于0，则缩孔将同时分布在该孤立液相区内金属液与空气的接触面和压强最小的位置。

进一步地，孤立液相区的收缩增量由以下公式计算：

其中，δω为单个网格的体积，δvl为t到t+δt内单个网格中液体体积的变化量，δfs为凝固百分比，ρs为固相密度，ρl为液相密度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法，其依据达西定律的运动方程推导出克服各孤立液相区之间的补缩阻力所需的临界压强值，以该临界压强值作为孤立液相区搜索的边界判据，进而依据所述边界判据搜出孤立液相区的分布，并搜索出每个孤立液相区的缩孔分布后重新进行分配及循环，直到所有的孤立液相区消失，以得到最终的缩孔分布，实现了在有限的时间内，依据浇注系统的三维模型、相应的材料物性参数及铸造工艺参数，较为准确地模拟出此铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对实际生产具有很好的参考价值。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法的流程图。

图2是图1中的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法涉及的重力铸造下缩孔的三种分布的示意图。

图3是图1中的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法涉及的孤立液相区演变过程的三种状态的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图3，本发明较佳实施方式提供的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法，所述重力铸造缩孔缺陷预测方法主要包括以下步骤：

步骤一，构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，将所述浇注系统进行初始化。此时，整个金属液区域为一个(父)孤立液相区，即t＝0时，只有一个孤立液相区。

步骤二，通过达西定律的运动方程推导出克服各孤立液相区之间的补缩阻力所需的临界压强值，将所述临界压强值作为孤立液相区搜索的边界判据，依据所述边界判据搜索出t＝t+δt时的孤立液相区的分布；若此时刻有孤立液相区存在，则转向步骤三；否则结束。本实施方式中，推导所述边界判据时将凝固糊状区考虑为多孔介质进行处理，其中凝固糊状区的金属液的补缩速度与温度场的变化相关联；搜索孤立液相区的分布时，假设在每一时刻流体均处于准静态过程，则流体在重力场内满足最小势能原理；金属液内压强分布应与实际铸造过程中金属液压强一致，且满足动态平衡。

具体地，采用傅里叶方程计算此时刻的温度场，初始化各区域的固相率、液相率及缩孔分数，计算此时的金属液中的动态压强分布。所述的边界判据包含固相率fs、液相率fl、二次枝晶臂间距系数ct、固相密度ρs、液相密度ρl、黏度μ、空间网格步长dx、温度场变化率温度场梯度g等参数，所述临界压强由以下公式计算获得：

同时，按照公式p0-ρgza+c来计算出金属液内各点处的实际压强值，其中c为常数，ρ为金属液的密度。c满足以下条件：①若该孤立液相区与环境空气具有接触面，则接触面上的实际压强patm＝-ρgz1+c，其中ρ为金属液的密度，z1为接触面上的某点，patm为环境空气压强。②若该孤立液相区与环境空气不存在接触面，则在孤立液相区内压强最小的位置处，压强为0，即c满足0＝-ρgz2+c。常数c在各孤立液相区之间可能不同，而在各孤立液相区内部则保持不变。本实施方式中，临界压强判据用于孤立液相区连通与否的关键判断条件；依据所述边界判据搜索出所有的孤立液相区的大小、位置及形状。

步骤三，先后判断孤立液相区是否分裂及湮灭，如果分裂，则转向步骤四，如果孤立液相区未分裂，则进而判断孤立液相区是否湮灭，如果没有湮灭，转向步骤四，否则转向步骤五。具体地，获得所有孤立液相区后，逐个对所有的子孤立液相区及父孤立液相区进行判断，判断父孤立液相区的演变状态(分裂、保持、湮灭)。

由于凝固过程中金属液的温度场变化为单向冷却方向，因此孤立液相区一定减小，且在孤立液相区的演变过程中，会有三种可能的状态：①父孤立液相区分裂为多个子孤立液相区；②父孤立液相区不分裂，变为一个较小的子孤立液相区；③父孤立液相区湮灭消失，其中孤立液相区消失则会留下一个缩孔，当所有孤立液相区均湮灭消失后，便是最终的缩孔分布。父孤立液相区由于区域缩小，其包含的若干不属于子孤立液相区的区域内金属液凝固产生的缩孔的分布搜索中，第②种状态和第③种状态较为容易，对于第②种状态，父孤立液相区内所有的金属液凝固产生的缩孔均会留在其子孤立液相区内。对于第③种状态，父孤立液相区内所有的金属液凝固产生的缩孔均会留在该区域并形成一个独立的缩孔。而对于第①种状态，由于多个子孤立液相区的存在，父孤立液相区内不属于子孤立液相区的区域按照其与各个子孤立液相区的距离远近，归并到距离最近的子孤立液相区中。

步骤四，标记各个孤立液相区，基于所述边界判据搜索每个孤立液相区在t＝t+δt时的缩孔的分布后，计算各孤立液相区的收缩增量，同时搜索各个孤立液相区内压强最小的所有网格，以将各个孤立液相区的收缩增量均分并叠加到搜索到的所有网格上。

具体地，重力铸造过程中，缩孔的分布规律分为三种情况：①若某孤立液相区内金属液与环境空气不存在接触面，则缩孔将优先分布在该孤立液相区内金属液压强最小的位置；②如孤立液相区内金属液与环境空气存在接触面，且金属液内最小压强大于0，则缩孔将优先分布在该孤立液相区内金属液与空气的接触面上；③如孤立液相区内金属液与环境空气存在接触面，且金属液内最小压强等于0，则缩孔将同时分布在该孤立液相区内金属液与空气的接触面和压强最小的位置。若某父孤立液相区无子孤立液相区，则表明该父孤立液相区湮灭消失，其内的缩孔和体积增量及其原有的缩孔体积叠加后成为该局部区域的最终缩孔分布。

同时，计算此时刻的各个子孤立液相区内的缩孔体积增量(收缩增量)即为该孤立液相区内每个小区域单个网格的体积δω内因凝固百分比δfs和固液密度差ρs与ρl所产生的缩孔体积之和，其中，δω为单个网格的体积，δvl为t到t+δt内单个网格中液体体积的变化量。对于已计算得到新增缩孔体积分数的子孤立液相区，逐个遍历其是否与环境空气接触，①若不与空气环境接触，则搜索其内部压强为0的位置的数量和分布，将新增缩孔体积按满足条件的位置的数量均分并叠加到这些位置上；②若与空气环境接触，搜索其内压强为0的位置(若存在)和金属液与空气的接触面位置的数量和分布，将新增缩孔体积按满足条件的位置的数量均分并叠加到这些位置上。

步骤五，根据平衡方程“固相率+液相率+缩孔分数＝100％”计算液相率，同时更新所有区域的液相率后转到步骤二进行循环，直到所有的孤立液相区均消失，以得到最终的缩孔分布。具体地，所有区域的固相率由温度场所决定，缩孔分数由缩孔分配过程所更新，按照所述平衡方程即可计算出液相率后，更新所有区域的液相率；之后，增加时间步长至下一时刻，重复上述步骤，直到所有的孤立液相区均湮灭消失，得到最终的缩孔分布，退出循环。

本发明提供的基于动态压强的重力铸造缩孔缺陷预测方法，其依据达西定律的运动方程推导出克服各孤立液相区之间的补缩阻力所需的临界压强值，以作为孤立液相区搜索的边界判据，进而依据所述边界判据搜索出孤立液相区的分布，同时并搜索出每个孤立液相区的缩孔分布后重新进行分配及循环，直到所有的孤立液相区消失，以得到最终的缩孔分布，实现了在有限的时间内，依据浇注系统的三维模型、相应的材料物性参数及铸造工艺参数，较为准确地模拟出此铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对实际生产具有很好的参考价值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。