一种大型铸钢件充型感知修正方法及系统与流程

本发明属于铸造技术领域，尤其涉及一种大型铸钢件充型感知修正方法及系统。

背景技术：

越来越多的铸造企业使用铸造数字模拟手段优化铸造工艺。但铸造数值模拟技术仍面临着物理模型过于简化、合金/铸型材料物性参数数据库不健全、边界条件难以获取等问题。

业界一直致力于改进铸造数值模拟的精度，准确测量金属液在铸造现场的流场及温度场是改进模拟精度的基础，但该工作也很困难。申请号为201110384125.5的发明提出一种铸件充型水模拟的方法，采用水力模拟试验方法，对某特大型铝合金铸件的铸造工艺进行模拟研究和分析。但该发明专利采用的材料过于简化，水在常温下始终为液态，运动粘度不变，用水模拟700℃左右的铝水，已经失去很大的代表性。该方法更不能模拟钢水在1600℃高温下的流动充型行为。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种大型铸钢件充型感知修正方法及系统。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，提供一种大型铸钢件充型感知修正系统，包括：

划分模块，用于获取数值仿真模型中型腔所在的分割空间，并对所述分割空间进行划分，将所述分割空间划分为若干相同尺寸的长方体子空间；

编号模块，用于将内部包含有型腔的长方体子空间进行编号，得到被顺序编号的目标长方体子空间；

特征点位置获取模块，获取每一个目标长方体子空间中所包含的特征点的坐标值；

标记模块，用于将制造出来的各个目标长方体子空间中的型腔部分与标定装置进行比对，并按照所述特征点位置获取模块所获取的坐标值将所述目标长方体子空间所包含的特征点的位置在型腔上标记出来；

热电偶，埋于所述标记模块所标记的位置处。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正系统，还包括：分割空间确认模块，用于限定一个长方体作为所述分割空间，数值仿真模型中的型腔的左侧边缘、右侧边缘、顶部边缘、底部边缘、前侧边缘及后侧边缘分别位于所限定的长方体的六个面上。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正系统，还包括：坐标系建立模块，用于以各个目标长方体子空间的其中一个顶点为原点建立空间直角坐标系，以使目标长方体子空间中的型腔位于所建立的空间直角坐标系中的第ⅰ卦限内。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正系统，还包括：随机抽取模块，用于随机选择若干个目标长方体子空间作为修正长方体子空间，且在制造出来的每一个修正长方体子空间中的型腔上选取一个修正特征点，且每一个修正特征点的位置上埋有热电偶。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正系统，数据采集模块，用于获取铸钢件浇注过程中，20个特征点所在位置的热电偶所测量的温度数据；对比模块，用于将所述数据采集模块所采集的温度数据与模拟数据进行比对；调整模块，用于根据对比模块的对比结果调整合金及铸型材料物性参数及边界条件。

其中，所述热电偶头部套设有厚度为2mm的碳化硅保护套，且热电偶头部突出砂型表面3mm。

其中，所述标定装置包括：具有刻度的x向标定杆、y向标定杆及z向标定杆；所述x向标定杆、y向标定杆及z向标定杆相交且互相垂直，以组成空间直角坐标系。

第二方面，本发明提供一种大型铸钢件充型感知修正方法，其特征在于，包括：

获取数值仿真模型中型腔所在的分割空间，并对所述分割空间进行划分，将所述分割空间划分为若干相同尺寸的长方体子空间；

以分割空间的任意一点为原点建立三位直角坐标系，以xstep、ystep、zstep为步长，依次对分割空间沿x、y、z轴进行分割划分，获得网格数nx、ny、nz为：

其中，x0,min和x0，max是分割空间沿x轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值，y0,min和y0，max是分割空间沿y轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值，z0,min和z0，max是分割空间沿z轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值；

aj＝[(xj，min，xj，max)；(yj，min，yj，max)；(zj，min，zj，max)](j＝0-n)；

其中，对长方体子空间进行标号，j表示长方体子空间的标号；n为长方体子空间的总数，a0表示分割空间；aj表示分割空间内第j个长方体子空间，(xj，min，xj，max)表示长方体子空间沿x轴的尺寸范围从坐标值xj，min到坐标值xj，max；(yj，min，yj，max)表示长方体子空间沿y轴的尺寸范围从坐标值yj，min到坐标值yj，max；(zj，min，zj，max)表示长方体子空间沿z轴的尺寸范围从坐标值zj，min到坐标值zj，max；

f(x)为沿x轴分割得到的长方体子空间的代价函数，f(y)为沿y轴分割得到的长方体子空间的代价函数，f(z)为沿z轴分割得到的长方体子空间的代价函数；mj，x、mj，y、mj，z表示分别沿x、y、z轴进行划分得到的长方体子空间中第j个长方体子空间是否包含有型腔，包含则mj，x＝1、mj，y＝1、mj，z＝1，若不包含则mj，x＝0、mj，y＝0、mj，z＝0；nj，x、nj，y、nj，z表示分别沿x、y、z轴进行划分得到的长方体子空间中第j个长方体子空间是否为空腔；关系如下：

由代价函数衡量一个给定的分割空间划分后，每个长方体子空间是否含有型腔；

将内部包含有型腔的长方体子空间进行编号，得到被顺序编号的目标长方体子空间；

获取每一个目标长方体子空间中所包含的特征点的坐标值；

将制造出来的各个目标长方体子空间中的型腔部分与标定装置进行比对，并按照获取的坐标值将所述目标长方体子空间所包含的特征点的位置在型腔上标记出来；

所标记的位置处埋设热电偶。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正方法，还包括：限定一个长方体作为所述分割空间，数值仿真模型中的型腔的左侧边缘、右侧边缘、顶部边缘、底部边缘、前侧边缘及后侧边缘分别位于所限定的长方体的六个面上；以各个目标长方体子空间的其中一个顶点为原点建立空间直角坐标系，以使目标长方体子空间中的型腔位于所建立的空间直角坐标系中的第ⅰ卦限内。bi＝[(xi，min，xi，max)；(yi，min，yi，max)；(zi，min，zi，max)](i＝0-n)；

其中i表示目标长方体子空间的编号；n为目标长方体子空间的总数，b0表示原点；bi表示分割空间内第i个目标长方体子空间，(xj，min，xj，max)表示目标长方体子空间沿x轴的尺寸范围从坐标值xi，min到坐标值xi，max，(yi，min，yi，max)表示目标长方体子空间沿y轴的尺寸范围从坐标值yi，min到坐标值yi，max；(zi，min，zi，max)表示目标长方体子空间沿z轴的尺寸范围从坐标值zi，min到坐标值zi，max。

其中，所述的一种大型铸钢件充型感知修正方法，采集铸钢件浇注过程中，20个特征点所在位置的热电偶所测量的温度数据；将所采集的温度数据与模拟数据进行比对；根据对比结果调整合金及铸型材料物性参数及边界条件。

本发明所带来的有益效果：本发明在实际的铸造过程中，采用在特征点埋设热电偶的方式，获取型腔内金属液到达特征点的时间及该处金属液的温度变化过程，以实际测量的数据改进数值模拟结果，使数值仿真模型更加贴近高温钢水铸造过程，更加准确的描述充型、凝固现象，提高仿真模型的合理性；完善合金及铸型材料物性参数及边界条件,促进数值模拟技术在铸钢中得到更好的工程应用；保证热电偶的实际位置与电脑模拟选择的特征点的位置精确对应，使得检测的温度具有较高的可参考度，从而进一步提高仿真模型的合理性。

附图说明

图1是本发明一种大型铸钢件充型感知修正系统的示意图；

图2是本发明分割空间的示意图；

图3是本发明目标长方体子空间的示意图；

图4是本发明标定装置的示意图；

图5是本发明种大型铸钢件充型感知修正方法的流程示意图；

图6为型腔其中一种结构的示例；

图7为热电偶处的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

若是在实际的铸造过程通过采集温度的方式来提高模拟精度，那么需要预先根据模拟结果选取位置，并且在铸型造型时，对应选取的位置处设置温度测量装置，但是这个过程存在的技术问题是在实际设置温度测量装置时无法精确对应到电脑模拟选择的位置，使得检测的温度可参考度降低，最终影响数值模拟结果。

在一些说明性的实施例中，如图1所示，本发明提供一种大型铸钢件充型感知修正系统，包括：特征点选取模块、分割空间确认模块、划分模块、编号模块、坐标系建立模块、特征点位置获取模块、标记模块、热电偶、数据采集模块、对比模块及调整模块。

本发明的大型铸钢件充型感知修正系统利用数字模拟技术，显示铸钢过程中钢水的流场、温度场，具体的，可以通过procast、magma或anycasting实现电脑端的数值模拟。

特征点的选取是根据实际的铸件，内浇口的位置，型腔里面的远端，以及冒口的根部，加一起共选择20个点来测量钢水流经各特征点的温度变化情况。

分割空间确认模块，用于限定一个长方体作为分割空间201，数值仿真模型中的型腔202坐落在限定的这个长方体内，即坐落在分割空间201内。型腔202的结构形状各位任意形状，为了便于理解技术方案，可如图2中，使用形状较为简单的型腔进行示范。实际生产中，型腔的形状常如图6所示。如图2所示，数值仿真模型中的型腔202的左侧边缘、右侧边缘、顶部边缘、底部边缘、前侧边缘及后侧边缘分别位于所限定的长方体的六个面上，即使得型腔202与分割空间201完全契合，避免划分模块划分出较多的不包含型腔的长方体子空间，从而导致资源浪费，影响系统的数据处理速度。受限于型腔202的具体形状，分割空间确认模块中所提到的型腔的边缘可能为一个点、一条线或一个面。

划分模块，用于获取数值仿真模型中型腔所在的分割空间201，并对分割空间201进行划分，将分割空间201划分为若干相同尺寸的长方体子空间203，即分割空间201是由多个长方体子空间203组合而成，因此划分模块也将型腔202划分为若干个单元，被划分的型腔202分布在各个长方体子空间203内。

其中一部分的长方体子空间203内存在型腔，而另外一些部分的长方体子空间203内是空的，具体的，由型腔202的具体形状决定。

编号模块，用于将内部包含有型腔的长方体子空间203进行编号，得到被顺序编号的目标长方体子空间，即内部包含有型腔的长方体子空间203可作为目标长方体子空间。

完成分割和编号操作后，即可依据目标长方体子空间内型腔的形状进行制造，以制作出多个实体型腔，再通过压紧、粘结、组装等方式将制作出来的实体型腔组合为一个整体型腔。由于事先进行了编号，因此依据编号顺序进行组装可使得实体型腔的组装变得容易；除此之外，也方便后续特征点位置的标记，不易出错。

坐标系建立模块，用于以各个目标长方体子空间的其中一个顶点为原点建立空间直角坐标系，以使目标长方体子空间中的型腔位于所建立的空间直角坐标系中的第ⅰ卦限内，如图3所示，每一个目标长方体子空间对应一个空间直角坐标系。因此，被分割的每一部分的型腔在各个目标长方体子空间的位置是可通过所建立的空间直角坐标系进行确定的，优选的，坐标系建立模块还用于获取目标长方体子空间中的型腔的边界点的坐标值，便于制作完成的实体型腔与标定装置进行比对。

特征点位置获取模块，获取每一个目标长方体子空间中所包含的特征点的坐标值，由于特征点位于型腔上，且目标长方体子空间由坐标系进行了标度，因此，特征点的坐标是可以获取的。

标记模块，用于将制造出来的各个目标长方体子空间中的型腔部分与标定装置进行比对，即依据电脑端分割后的型腔制作出来的实体型腔与标定装置进行比对，由于特征点位置获取模块已经得到了特征点的坐标值，因此当实体型腔位于标定装置内时，可以按照坐标值将目标长方体子空间所包含的特征点的位置在实体型腔上标记出来。

如图4所示，标定装置包括：x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403。x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403相交且互相垂直，以组成空间直角坐标系。x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403具有刻度，当知道实体型腔的边界点的坐标时，即可将实体型腔按照坐标准确的置于标定装置内，而此时特征点的坐标值也是知道的，因此可在实体型腔上准确的标出实体特征点的位置，由于x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403组成了一个标准的空间直角坐标系，在一个坐标系确定一个具有坐标值的点是公知技术，这里不再赘述。

如图7所示，热电偶114埋于标记模块所标记的位置处，以测量实际浇注过程中，钢水流经各特征点的温度变化情况。热电偶114头部套设有厚度为2mm的碳化硅保护套113，且热电偶114头部突出砂型112表面3mm，使得热电偶114的头部位于型腔202内。

数据采集模块，用于获取铸钢件浇注过程中，20个特征点所在位置的热电偶所测量的温度数据；数据采集模块为温度记录仪。

对比模块，用于将数据采集模块所采集的温度数据与模拟数据进行比对；模拟数据由电脑端的铸造模拟软件获取。比对的方式为依据温度随时间的变化画出曲线图，因此可获取实体测量的温度曲线图和电脑端所模拟出来的温度曲线图，两个温度曲线图进行比对即可得到对比结果。

调整模块，用于根据对比模块的对比结果调整合金及铸型材料物性参数及边界条件，使模拟结果更接近实测数据，以实际测量的数据为目标，完善合金及铸型材料物性参数及边界条件数据库。获得更准确的数值模拟结果，使数值仿真模型更加贴近高温钢水铸造过程,更加准确的描述充型、凝固现象,提高仿真模型的合理性。

本发明还包括：随机抽取模块，用于随机选择若干个目标长方体子空间作为修正长方体子空间，且在制造出来的每一个修正长方体子空间中的实体型腔上选取一个修正特征点，修正特征点的选取可依据人为经验进行选取，每一个修正特征点的位置上埋有热电偶。数据采集模块在获取特征点上的热电偶的采集数值的同时，也获取修正特征点上的热电偶的采集数值，由于修正特征点的坐标值可根据标定装置进行获取，因此电脑端的铸造模型上即可对应出修正特征点的位置，同时对修正特征点处的温度变化进行模拟，通过反向选择，使得调整模块的修正结果更加准确。

在一些说明性的实施例中，如图5所示，本发明提供一种大型铸钢件充型感知修正方法，包括：

s1：特征点选取。

特征点的选取是根据实际的铸件，内浇口的位置，型腔里面的远端，以及冒口的根部，加一起共选择20个点来测量钢水流经各特征点的温度变化情况。

s2：限定分割空间。

用于限定一个长方体作为分割空间201，数值仿真模型中的型腔202坐落在限定的这个长方体内，即坐落在分割空间201内。如图2所示，数值仿真模型中的型腔202的左侧边缘、右侧边缘、顶部边缘、底部边缘、前侧边缘及后侧边缘分别位于所限定的长方体的六个面上，即使得型腔202与分割空间201完全契合，避免划分出较多的不包含型腔的长方体子空间，从而导致资源浪费，影响系统的数据处理速度。受限于型腔202的具体形状，s2所提到的型腔的边缘可能为一个点、一条线或一个面。

s3：划分分割空间。

用于获取数值仿真模型中型腔所在的分割空间201，并对分割空间201进行划分，将分割空间201划分为若干相同尺寸的长方体子空间203，即分割空间201是由多个长方体子空间203组合而成，因此也将型腔202划分为若干个单元，被划分的型腔202分布在各个长方体子空间203内。

其中一部分的长方体子空间203内存在型腔，而另外一些部分的长方体子空间203内是空的，具体的，由型腔202的具体形状决定。以分割空间的任意一点为原点建立三位直角坐标系，以xstep、ystep、zstep为步长，依次对分割空间沿x、y、z轴进行分割划分，获得网格数nx、ny、nz为：

其中，x0,min和x0，max是分割空间沿x轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值，y0,min和y0，max是分割空间沿y轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值，z0,min和z0，max是分割空间沿z轴的最小尺寸和最大尺寸坐标值；

aj＝[(xj，min，xj，max)；(yj，min，yj，max)；(zj，min，zj，max)](j＝0-n)；

其中，对长方体子空间进行标号，j表示长方体子空间的标号；n为长方体子空间的总数，a0表示分割空间；aj表示分割空间内第j个长方体子空间，(xj，min，xj，max)表示长方体子空间沿x轴的尺寸范围从坐标值xj，min到坐标值xj，max；(yj，min，yj，max)表示长方体子空间沿y轴的尺寸范围从坐标值yj，min到坐标值yj，max；(zj，min，zj，max)表示长方体子空间沿z轴的尺寸范围从坐标值zj，min到坐标值zj，max；

f(x)为沿x轴分割得到的长方体子空间的代价函数，f(y)为沿y轴分割得到的长方体子空间的代价函数，f(z)为沿z轴分割得到的长方体子空间的代价函数；mj，x、mj，y、mj，z表示分别沿x、y、z轴进行划分得到的长方体子空间中第j个长方体子空间是否包含有型腔，包含则mj，x＝1、mj，y＝1、mj，z＝1，若不包含则mj，x＝0、mj，y＝0、mj，z＝0；nj，x、nj，y、nj，z表示分别沿x、y、z轴进行划分得到的长方体子空间中第j个长方体子空间是否为空腔；关系如下：

由代价函数衡量一个给定的分割空间划分后，每个长方体子空间是否含有型腔。

s4：编号。

将内部包含有型腔的长方体子空间203进行编号，得到被顺序编号的目标长方体子空间，即内部包含有型腔的长方体子空间203可作为目标长方体子空间。

完成分割和编号操作后，即可依据目标长方体子空间内型腔的形状进行制造，以制作出多个实体型腔，再通过压紧、粘结、组装等方式将制作出来的实体型腔组合为一个整体型腔。由于事先进行了编号，因此依据编号顺序进行组装可使得实体型腔的组装变得容易；除此之外，也方便后续特征点位置的标记，不易出错。

s5：建立坐标系。

以各个目标长方体子空间的其中一个顶点为原点建立空间直角坐标系，以使目标长方体子空间中的型腔位于所建立的空间直角坐标系中的第ⅰ卦限内，bi＝[(xi，min，xi，max)；(yi，min，yi，max)；(zi，min，zi，max)](i＝0-n)；

其中i表示目标长方体子空间的编号；n为目标长方体子空间的总数，b0表示原点；bi表示分割空间内第i个目标长方体子空间，(xj，min，xj，max)表示目标长方体子空间沿x轴的尺寸范围从坐标值xi，min到坐标值xi，max，(yi，min，yi，max)表示目标长方体子空间沿y轴的尺寸范围从坐标值yi，min到坐标值yi，max；(zi，min，zi，max)表示目标长方体子空间沿z轴的尺寸范围从坐标值zi，min到坐标值zi，max。

如图3所示，每一个目标长方体子空间对应一个空间直角坐标系。因此，被分割的每一部分的型腔在各个目标长方体子空间的位置是可通过所建立的空间直角坐标系进行确定的，优选的，获取目标长方体子空间中的型腔的边界点的坐标值，便于制作完成的实体型腔与标定装置进行比对。

s6：获取特征点位置。

获取每一个目标长方体子空间中所包含的特征点的坐标值，由于特征点位于型腔上，且目标长方体子空间由坐标系进行了标度，因此，特征点的坐标是可以获取的。

s7：标记特征点。

将制造出来的各个目标长方体子空间中的型腔部分与标定装置进行比对，即依据电脑端分割后的型腔制作出来的实体型腔与标定装置进行比对，由于已经得到了特征点的坐标值，因此当实体型腔位于标定装置内时，可以按照坐标值将目标长方体子空间所包含的特征点的位置在实体型腔上标记出来。

如图4所示，标定装置包括：x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403。x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403相交且互相垂直，以组成空间直角坐标系。x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403具有刻度，当知道实体型腔的边界点的坐标时，即可将实体型腔按照坐标准确的置于标定装置内，而此时特征点的坐标值也是知道的，因此可在实体型腔上准确的标出实体特征点的位置，由于x向标定杆401、y向标定杆402及z向标定杆403组成了一个标准的空间直角坐标系，在一个坐标系确定一个具有坐标值的点是公知技术，这里不再赘述。

s8：所标记的位置处埋设热电偶，以测量实际浇注过程中，钢水流经各特征点的温度变化情况。

s9：获取温度数据。

获取铸钢件浇注过程中，20个特征点所在位置的热电偶所测量的温度数据。

s10：比对。

用于将采集的温度数据与模拟数据进行比对；模拟数据由电脑端的铸造模拟软件获取。比对的方式为依据温度随时间的变化画出曲线图，因此可获取实体测量的温度曲线图和电脑端所模拟出来的温度曲线图，两个温度曲线图进行比对即可得到对比结果。

s11：调整合金及铸型材料物性参数及边界条件。

根据步骤s10得到的对比结果调整合金及铸型材料物性参数及边界条件，使模拟结果更接近实测数据，以实际测量的数据为目标，完善合金及铸型材料物性参数及边界条件数据库。获得更准确的数值模拟结果，使数值仿真模型更加贴近高温钢水铸造过程,更加准确的描述充型、凝固现象,提高仿真模型的合理性。

s12：特征点反向选取模拟。

随机选择若干个目标长方体子空间作为修正长方体子空间，且在制造出来的每一个修正长方体子空间中的实体型腔上选取一个修正特征点，修正特征点的选取可依据人为经验进行选取，每一个修正特征点的位置上埋有热电偶。在获取特征点上的热电偶的采集数值的同时，也获取修正特征点上的热电偶的采集数值，由于修正特征点的坐标值可根据标定装置进行获取获取，因此电脑端的铸造模型上即可对应出修正特征点的位置，同时对修正特征点处的温度变化进行模拟，通过反向选择，使得修正结果更加准确。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。