针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法与流程

本发明涉及一种铸造残余应力的模拟方法，特别涉及一种针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法。

背景技术：

各向异性材料在现代制造工业中应用日益广泛，这类材料由于在各微观方向上的热物性性能及力学性能不一致，导致该材料在铸造过程中在各方向上的热量传递及收缩变形均会不一致，从而使铸件的铸造应力分布很难确定，例如航空发动机中单晶涡轮叶片的铸造残余应力分布问题是研制高推重比发动机的一个重要障碍。目前针对铸造残余应力的数值模拟主流软件是ProCAST，但这种软件的缺点是材料库不全，在应力场模拟方面只能针对各向同性材料铸件进行数值模拟。

文献“FE prediction of residual stresses of investment casting in a Bottom Core Vane under equiaxed cooling，Journal of Manufacturing Processes,Vol13(1),January 2011,Pages30–40”给出了一种利用ABAQUS软件来模拟铸造残余应力的新方法。此方法将ProCAST对导向叶片的温度场编写成ABAQUS能接受的UTEMP子程序，将该温度场对导向叶片的每个网格节点进行逐一加载，进行顺序热力耦合，以求解导向叶片的铸造残余应力，所得结果与实际测量吻合度较好。但是该方法并不适用于模拟各向异性材料的铸造残余应力，由于每种各向异性材料都有其特殊性，为了准确的表达其特性，一般根据其特性来编写用户材料UMAT子程序，而在ABAQUS中每个仿真文件只能附加一个子程序，因此上述方法不能同时对温度场UTEMP和材料子程序UMAT进行数值模拟，具有较大的局限性。此外，上述方法对温度场编写成UTEMP子程序过程非常繁琐，不具备通用批量化处理的能力，也限制了其使用范围。

综上所述，现阶段针对铸造残余应力的方法并不适用于各向异性材料，适用范围窄。

技术实现要素：

为了克服现有铸造残余应力的模拟方法适用范围窄的不足，本发明提供一种针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法。该方法利用ProCAST软件对铸件凝固及冷却过程温度场进行数值模拟，并将温度场转换成ABAQUS能接受的温度幅值，在Viewer-CAST中将浇注系统中除炉体外各组件分别以INP文件导出，生成ABAQUS数据文件INP文件；将经过转换的温度幅值复制至生成的ABAQUS数据文件INP文件中，生成新的INP文件；根据铸件材料的特性利用Fortran语言编写各向异性材料子程序UMAT文件；对于生成新的INP文件，结合子程序UMAT文件，利用ABAQUS Command命令完成对各向异性材料铸件的残余应力数值模拟。该方法结合了ProCAST软件能较准确模拟铸件温度场以及ABAQUS具有丰富材料库两种优点，利用用户材料UMAT子程序以及高可靠性的温度场转换接口，能够准确地模拟各向异性材料铸件在铸造过程中产生的残余应力，准确率达到81％以上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、利用ProCAST软件对铸件凝固及冷却过程温度场进行数值模拟，并利用ProCAST软件的后处理软件Viewer-CAST将铸件温度场导出；

步骤二、在MATLAB操作环境中，利用编写好的温度场转换接口，将步骤一所得温度场转换成ABAQUS能接受的温度幅值，并利用转换接口生成铸件的节点集及预定义场；

步骤三、在Viewer-CAST中将浇注系统中铸件、模壳组件分别以INP文件导出，并在ABAQUS中重新装配，加入边界条件，修改有限元网格类型，生成ABAQUS数据文件INP文件；

步骤四、将步骤二所得转换好的温度幅值、节点集及预定义场复制至步骤三所生成的ABAQUS数据文件INP文件中，生成新的INP文件；

步骤五、根据铸件材料的特性利用Fortran语言编写各向异性材料子程序UMAT文件；

步骤六、对于步骤四生成新的INP文件，结合步骤五所得UMAT子程序，利用ABAQUS Command命令完成对各向异性材料铸件的残余应力数值模拟。

本发明的有益效果是：该方法利用ProCAST软件对铸件凝固及冷却过程温度场进行数值模拟，并将温度场转换成ABAQUS能接受的温度幅值，在Viewer-CAST中将浇注系统中除炉体外各组件分别以INP文件导出，生成ABAQUS数据文件INP文件；将经过转换的温度幅值复制至生成的ABAQUS数据文件INP文件中，生成新的INP文件；根据铸件材料的特性利用Fortran语言编写各向异性材料子程序UMAT文件；对于生成新的INP文件，结合子程序UMAT文件，利用ABAQUS Command命令完成对各向异性材料铸件的残余应力数值模拟。该方法结合了ProCAST软件能较准确模拟铸件温度场以及ABAQUS具有丰富材料库两种优点，利用用户材料UMAT子程序以及高可靠性的温度场转换接口，能够准确地模拟各向异性材料铸件在铸造过程中产生的残余应力，准确率达到81％以上。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法的流程图。

图2是本发明方法实施例中工字梁模型图。

图3是本发明方法实施例中温度场转换主界面图。

具体实施方式

参照图1-3。本发明针对各向异性材料铸造残余应力的数值模拟方法具体步骤如下：

第一步、首先利用三维建模软件对整个浇注系统进行建模，包括铸件和型芯等模型；利用Hypermesh软件对有限元模型进行前处理，采用四面体单元对各组件进行二维网格划分，对铸件关键部位或是结构突变处的网格进行局部加密处理；在ProCAST前处理软件MeshCAST中将各部件进行装配、网格质量检查、生成模壳及体网格划分等，在PreCAST中设置铸件材料热物性及及力学参数、换热系数及换热面设置、固定及对称面设置等边界条件设置，完成对整个浇注过程进行仿真；在ProCAST后处理软件Viewer-CAST中将铸件温度场以*.ntl格式导出，除炉体外，将铸件、模壳以及其他组件分别以*.inp格式导出。

第二步、利用ProCAST与ABAQUS温度场转换接口对第一步中所导出的温度场进行转换，得到ABAQUS温度幅值，并生成节点集及预定义场。

第三步、将第一步中所导出的铸件、模壳以及其他组件的*.inp文件分别导入至ABAQUS中进行重新装配，设置静力稳态分析步，除换热条件外，其余边界条件设置均与ProCAST保持一致，将得到的CAE文件以*.inp格式导出。

第四步、将第二步中ABAQUS温度幅值、生成节点集及预定义场分别复制至第三步所得的*.inp文件的相应位置。

第五步、利用Fortran语言针对铸件各向异性材料编写ABAQUS用户材料UMAT子程序*.for文件，并在Visual-studio中调试成功。

第六步、利用ABAQUS Command命令将第四步得到的*.inp文件与第五步得到的*.for文件联合起来对铸件应力场进行数值模拟。

应用实施例：

本发明利用求解工字梁残余应力作为一个具体实施例，该工字梁材料为各向异性材料DD6，铸造方式为定向凝固，下面结合该实施例对本发明细述如下：

第一步、利用UG软件对工字梁浇注系统进行三维建模，将各组件分别以*.iges格式导出；将上述*.iges文件分别导入Hypermesh软件中进行前处理，采用四面体单元对各组件进行二维网格划分，网格基本尺寸为1mm，分别以*.out格式导出所得各部件；将得到的*.out文件分别导入至ProCAST中进行装配、网格质量检查、生成模壳及体网格划分等，整个模型包含38137个节点，161366个单元；随后对各组件进行材料赋予，其中铸件材料为高温合金DD6，所设热物性及力学参数均采用[001]方向性能参数，模壳、型芯材料为硅砂，冷铜材料为纯铜，除铸件外，其余组件均设为刚体，铸件与其他组件的界面换热系数为2000W/m².K，其余组件之间的界面换热系数为500W/m².K；在边界条件设置中，对模壳、型芯及冷铜进行固定，整个模壳外表面对外热辐射率为0.85，冷铜初始温度为20℃，铸件、模壳和型芯的初始温度为1550℃，整个浇注系统重力加速度为9.8m/s²，加速度方向为[001]方向；炉体被分为三部分，其中高温区温度为1550℃，辐射率为0.9，中温区温度为900℃，辐射率为0.6，低温区温度为20℃，辐射率为0.5，整个炉体的抽拉速率为0.8cm/min，抽拉方向为[001]方向，随后即可进行仿真；ProCAST仿真结束后，在Viewer-CAST中将铸件温度场以*.ntl格式导出，然后切换至Mesh模式，将铸件、模壳和型芯分别以*.inp格式导出。

第二步、将第一步得到的*.ntl温度场在编写好的温度场转换接口中进行格式转换，生成得到ABAQUS温度幅值，并生成节点集及预定义场，其中，分节点数去2000，温度场行数取38，铸件总节点数为11888，这样既可生成ABAQUS温度幅值、节点集及预定义场的*.txt文件。

第三步、将第一步得到的*.inp文件在ABAQUS里重新进行装配，在材料属性模块中，铸件材料选择调用子程序UMAT，模壳、型芯及冷铜材料均按ProCAST中参数进行设置，设定静力稳态分析步，除换热外，其余各类边界条件均与ProCAST设定一致，其中，各接触对均采用发现接触对的方法进行选定，以*.inp格式导出该浇注系统模型。

第四步、将第二步中生成的ABAQUS温度幅值、生成节点集及预定义场三个*.txt文件分别复制至第三步所得的*.inp文件的相应位置，得到residual-stress.inp文件。

第五步、利用Fortran语言针对DD6各向异性材料编写ABAQUS用户材料UMAT子程序umat.for文件，并在Visual-studio中调试成功。

第六步、利用ABAQUS Command命令将第四步得到的residual-stress.inp文件与第五步得到的umat.for文件联合起来，利用abaqus job＝residual-stress user＝umat.for命令对铸件应力场进行数值模拟。

结果表明，工字梁在冷却降温过程中收缩时由于受到型芯的阻碍，工字梁中间部位产生较大残余应力，而远离工字梁部位应力值相对较小，此外，四个尖角处的应力由于受到结构的影响，应力值最大，符合铸造过程中残余应力分布规律。

总之，本发明将用户材料UMAT子程序和高可靠性的温度场转换接口结合起来，解决了传统方法不能对各向异性材料铸造残余应力数值模拟的问题，并且能针对各种不同铸造方式来对铸件残余应力进行数值模拟，经与测量值对比发现，本方法模拟准确率高达81％以上，且适用范围广。