熔模铸造过程数值模拟模型的调整外文翻译资料

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熔模铸造过程数值模拟模型的调整

E. Anglada^a,*， A. Meleacute;ndez^a ，L.Maestro^b ，I. Domiguez^b

摘要

本文提出了一种提高仿真结果和零件工业制造之间相关性的仿真模型的调整过程。该过程包括在铸造厂的数据记录，初步建立模型和后来的调整过程以达到工业必需品相关的水平。采用逆建模方法进行了调整。这种技术采用热历史实验记录为基础，并修正用于模拟的材料性能和边界条件直至数值模拟冷却曲线与其实验记录达到良好的相关性。调整也注意了收缩缺陷。调整的仿真模型是一个有限元模型，用于开发商业软件特别是关于金属铸造模拟。案例研究是一个真空浇注熔模铸造工艺，材料为一种指定用于制造航空涡轮部件的镍基高温合金Hastelloy X。

关键词：数值模拟；反问题；有限元；熔模铸造；高温合金

1. 引言

模拟方法有助于他们的起源，以达到更好的知识的材料和制造工艺，并作为结果，以提高制造方法。现今，大量的商业准则包括金属铸造可以模拟一个广泛的制造工艺。显然，作为bonollo和欧多利奇（2001）状态，模拟的可靠性是通过定义初始条件和边界条件，对知识的准确性显著相关所涉及的材料的性质。不准确的输入数据，可以很容易地导致贫乏甚至误导性的预测。

在这个意义上，ASM国际手册委员会（2010）强调边界条件可以产生精确的模拟的重要性。他们指出每个制造过程都有独特的边界条件，这些条件在具体的应用模拟过程中必须被识别、理解和表征。此外，边界条件是设备特定的，也就是说在名义上相同的加工条件上一个炉与另外一个炉可能不会产生相同的边界条件。有关材料特性是一个事实，即它们可以与温度显著变化。因此，这种变化必须在模拟中，但以获得必要的数据被认为是不是一个简单的任务。材料的性能测量，特别是在高温下，是不仅耗时且昂贵的，而且实现起来很复杂。

此外，金属铸造行业还必须解决取决于炉内时间的通常合金成分的变化以及熔融合金的演化。在熔模铸造中，另一个重要变化的来源是模具。 由于制造方法，它是不可能保证在整个陶瓷壳中保持完全的均匀性。典型的解决方案包括从文献和手册中找到材料性能的使用。但它们使用的是标准值，而不是始终对应于在铸造中用的特定材料的性能。

为设法避免这些困难，逆建模技术的使用是一个有用的选择。基于直接实验测量的相关变量,这些技术允许一些模型参数的估计。在金属铸造模拟的情况下，而不是进行直接测量的材料特性或边界条件，实验的热历史是记录在一些定义的点上。这些热历史作为基础和一些模拟参数进行修改，直到在数值模拟冷却曲线之间达到良好的相关性，之后他们通过实验注册。在铸造工业中，这种方法是遵循仿真模型和实验得到的结果进行调整。.

自90年代中期Rappaz等人（1995）以来，现有的文献中基于逆方法金属铸造模拟中的应用论文数量很热门，但有关熔模铸造的论文愈发减少。而且他们中的大多数常常反映在实验室规模的工作和主要集中在合金和模具之间的传热系数的测定，如裁判东等人（2011）；J. M. drezet等人。（2000）；金等。（2009）以及奥马汉尼和布朗（2000）。这里提到的工作是根据在工业水平上的测量，这个过程不像在实验室环境下可控。此外，不仅传热系数已经确定，而且其他的边界条件和材料特性也已经确定。

数值模拟已由商业软件的方式进行，更准确的软件ProCAST针对金属铸造过程模拟。在工厂按照行业标准和程序，这种类型零件的原型已经生产。研究的案例是一种指定的材料和工艺，采用镍基高温合金Hastelloy X、熔模铸造工艺真空浇注，这种材料和工艺通常运用在一些航空涡轮机部件的制造。

所执行的工作的主要困难与建模过程模型的类型相关。这种方法制造的金属零件通常具有复杂的几何形状和由薄壁的厚度，其达到的值只有1毫米。这些薄壁是模具浇注前需要预热的原因，而在其他情况下，液态合金会在充型过程中凝固，模具就不会被完全填充。模具壁的厚度也很小，其值在5和12毫米之间。此外，也可以在真空条件下进行浇注。所有这些特性使得在铸造厂的数据记录非常困难。此外，在这一过程中隐含变量的高数量和手工操作的存在，增加过程中的变化和调整的困难性。

2.试验方法

2.1实验

实验阶段涉及专用原型的设计和制造以及在特定点上温度变化的工艺参数的记录。之后为检查位置和幅度的收缩缺陷，铸造原型被切割成不同的片段。实验阶段的每一步操作都已经运用到工厂项目的开发，引进相同的设备用于制造工业金属铸件。

在原型设计中考虑的主要要求之一是一个简单的几何形状。这不仅是为了方便测量温度，也减少了模拟的计算时间。原型和实部之间的唯一区别在于它们的几何结构。工业零件方面，材料和生产过程中应用的条件完全相同。

温度测量已被注册的专用热电偶插入到模具和金属零件的装置。在模具前避免使用热电偶加热和真空炉转移的困难，它们已被固定在这之后的模具上。温度记录已完成通过自主设备能够在真空中工作条件。

图1显示了在实验阶段一个原型的草图和一张照片，其中一个位置的热电偶可以观察到。图一：试验阶段的原型草图和照片

在应用于模拟上，工艺条件的适当记录对正确定义边界条件是至关重要的。尽管每一个实验通过同一种方法执行，试图使他们尽可能相似，工艺的特性却因该过程设备操作者的工业水平引起了重大变化。

表1总结了在实验阶段注册的过程参数的变化范围。关于壳型的，主要是铝硅酸盐及其厚度在6和9毫米，不仅取决于每一个模具也在模具的区域。所有应用在这种制造工业上的数据都在这个典型的范围内。

表1：实验处理条件

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参数 最小值 最大值

_______________________________________________________

模具预热温度（℃） 1050 1150

浇注温度（℃） 1480 1564

室内温度（℃） 18 25

传输时间（S） 95 140

直到浇注时间（S） 155 165

浇注时间（S） 1 3

最后，经过大量的试验，获得一组对应于9个实验的测量数据。如图2所示，红色曲线对应合金，蓝色曲线对应陶瓷外壳模具。合金曲线显示了一个初步的冷却，对应于插入到模具中的冷却，此处是热电偶放置的位置。对应于浇注过程，下一个快速加热直到接近浇注温度值。在那之后，合金发生冷却，首先是金属凝固过程的缓慢冷却，之后一旦合金完全凝固形成更快的冷却。关于模具曲线，模具经过一开始的冷却直到浇注发生，之后由于接触液态合金温度上升，然后再一次开始冷却。其中一种壳曲线呈现出大约200秒的局部最小。这个温度下降似乎是由于一个测量异常引起的，因为在几秒种后，温度返回到合乎逻辑的值，但原因不明。这种曲线作为一种异常测量案例被收录。

图2：实验温度测量

2.2模拟调整

原始值的处理是一次实验数据的第一步。在这种情况下该程序遵循的功能数据的处理是相当标准的:删除其中存在的高水平的测量异常的功能数据；以平滑的曲线来减少噪音；以同步曲线来对应任何状况下的浇注瞬间。几乎所有的变量包括在仿真模型中的变量都呈现某种程度的不确定性，所以他们已经进行变化以达到模型的校准。它包括合金和模具材料性质、合金和模具之间的传热系数、热交换相关的边界条件以及浇注条件。由于调整方法的迭代性质，这个过程期间表现出来的模拟数是非常高的，所以计算速度是一个重要方面。在这种情况下，由于原型呈现的对称性，仅用36327个节点和167061个要素建模几何体的一半。此模型已被用于在初步阶段的调整，只有传热计算已被执行。一旦已经达到一个合理的调整，模拟相结合的填充和传热就已经被执行， 完整的几何模型已经细化调整, 模型由50644个节点和237059个要素组成。该模型再现了完整的过程，从提取的模具部分的预热炉中直到最后冷却。

2.2.1 初步模型

初步模型应该基于我们最好的近似值的问题，考虑到记录在工业设备的过程数据与从书目或者团经验获得的数据相结合。不同参考书目的学习后，哈氏合金X材料的性能已经被定义。考虑到的主要来源是ASM 国际手册委员会（1990年），美国国防部的航空航天的关于金属材料的军事手册（1998）和列入所谓ProCAST的LLC CompuTherm的热力学数据库资料（2012）。最后，该材料的特性由所提到的热力学数据库提供已被使用。这些特性的计算基于Scheil显微模型，其中假设固相没有发生扩散并假设该化学组合物与这种合金限定的典型范围的平均值相等。基于在若干期刊文章中找到的信息：布朗和塞耶斯（1995年），Connolly等。 （2000），科瓦奇等。 （2008年），OMahoney和布朗（2000年），拉菲克和伊克巴尔（2009年）的研究;距离先前的研究项目中提取的一些机密信息，模具限定的材料性质进行了估计。合金和模具之间的热传递系数的值根据Calcon(2002)书目推荐的经典数值进行估计，对于砂模合金的热传递系数在300到600W/㎡K之间。

模具、合金和环境之间的热传递通过对流和辐射来进行。对流系数被定义为时间依赖的，考虑到如果模具是在运动或在真空条件下，并根据考虑用于查普曼空气对流（1984）的典型值：自由对流系数5到25W/ M2K之间和强迫对流系数10到500 W / M2K之间。关于辐射热传递，根据所估计的材料性质的辐射率数值已被使用。除此之外，该软件要求的外壳的定义，以便能够以包含视图因子计算分析。该机箱的定义有0.7的辐射值。环境温度已经被固定为20℃。最初的模具温度输入为1100℃、浇注温度为1520℃。在160秒开始浇注，并对应于一个等于10.5千克/秒的流率。第一次得到的近似结果示于图3，如可以观察到的，模拟结果在浇注前与实验值匹配得非常好。浇注后，由模拟预测的陶瓷壳模温度与期望的不是很远，但是它们的值比实验观察到的平均值更高。与实验值的主要区别是在合金的曲线，其中所述仿真不仅给出了一个慢的冷却，而且也预测更高的凝固温度。当然，基于我们的专业知识，这次结果对应于我们最好的一次近似。可能不同的研究小组得到不同的原型取决于他们采取的方案，这可能提供更好的或者更坏的结果。

图3：第一模拟结果和实验温度的测量

_____模拟结果

_____实验测量

2.2.2 调整过程

调整方案包括一个迭代过程，其中一些参数被修改、模拟运行、结果检查和一些参数再修改直到出现足够好的结果。

根据研究的情况，模拟结果和实验数据之间的差别将显示非常不同的表现。在调整的过程中，这些差异以不同的方式演变。由于这个原因，不肯能给调整方法定标准规则，在这种情况下，只能根据工作给出一些一般性建议。

这个使用的软件包括一个特定的工具，是调整的迭代过程自动化成为可能，但是得到的结果并不总是很好。有时，得不到足够好的相关水平。有时，调整参数值没有物理意义。在手动调节的情况下，该过程的每个步骤通过分析手动地进行，但是这使得修改参数的跟好的控制成为可能。根据模拟结果和试验温度之间观察到的差别，使用包括软件的自动化工具比手动调整更为可取。在一般情况下，如果结果之间差距很大时，自动化工具存在更多的问题汇总以达到合理的解决方案。

因此，在这些情况下为得到更好的近似值，在使用自动调整之前先使用手动调整参数的方法更好。

在每次实验哪些参数的修改的决定还取决于观察到的表现。在这一点上，分析者的专业知识来评估哪些参数应该修改是至关重要的。在一般情况下，每次试验中只有一个参数变量看起来更有兴趣，因为它允许更清楚地看到这个变量对热行为的影响。

一旦模型被调整到相关冷却曲线，是时候跟着收缩缺陷的调整。收缩缺陷的预测幅度参数调整主要是合金密度，一个专门的软件用这个参数来控制模型孔隙度。

3.结果与讨论

如图4，经过调整的模型模拟结果和实验数据之间的比较结果，可以看到整个过程仿真结果和实验测量匹配很好。实现这些结果执行的迭代次数还没有记录，但考虑到专用于这一任务的次数，大约500次迭代的估计是一个合理的值。涉及缩松缺陷，图5显示了实验与模拟之间的比较。模拟提供预测缩孔孔隙度的形式，以这种方式看接近零值得区域意味着几乎没有孔隙率，它们已从图像中被删除了。根据工业必需品，由模拟预测的结果与他们实验观察到的匹配得很好。

由于每个获得的值受到的机密性，有关调整的参数是不可能包括在这里的。尽管如此，可能包括一些迹象表明初步模型中使用的数值和调整后结果的不同。该信息可作为其他研究人员或者有这种模拟兴趣的用户的指南。

合金材料性质在用于初始模型和调整后的模型存在重大的区别。如热导率和比热，仅在低温下的值与在初始模型中假设的相匹配。在较高温度下的值变化直到20%，但同时热导率和发射率的值导致高于它们用作的第一近似值，在特定的情况下的值导致更低。在一些温度下，密度值表现出大约增加4%的小变化。凝固范围的结果与从ASM 国际手册委员会（1990）和美国国防部（1998）找到的值更加相似。在他陶瓷壳

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