原標(biāo)題：新模擬方法！壓鑄AM60B鎂合金支架缺陷研究

壓力鑄造是將液態(tài)或半液態(tài)金屬在高壓作用下，以較高的速度充填進(jìn)入型腔，使其在壓力作用下凝固成形。鎂合金具有優(yōu)良的壓鑄性能，通過(guò)壓鑄制成的鎂合金產(chǎn)品往往具有較高的尺寸精度。但由于壓鑄過(guò)程中金屬液是在高速、高壓下迅速充型和凝固，在鑄件內(nèi)部不可避免會(huì)產(chǎn)生缺陷，如縮孔、縮松、氣孔，導(dǎo)致力學(xué)性能不高，不能滿足受力大的要求等。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，采用數(shù)值模擬對(duì)鑄件缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而提高產(chǎn)品品質(zhì)，減少資源浪費(fèi)具有實(shí)際意義。

近30年以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬越來(lái)越被人們重視。MONAGHAN J J首次嘗試將SPH用于解決自由表面流動(dòng)問(wèn)題。研究者們應(yīng)用SPH方法對(duì)復(fù)雜薄壁零件進(jìn)行了壓鑄模擬，證明了SPH法在壓鑄填充過(guò)程中更能捕捉高速運(yùn)動(dòng)下的金屬液流動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)導(dǎo)葉鑄件在凝固過(guò)程中易產(chǎn)生縮孔、縮松問(wèn)題，利用MAGMA軟件對(duì)導(dǎo)葉鑄件凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)了易出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷的位置，通過(guò)建立順序凝固時(shí)所需要的溫度場(chǎng)，得到了合理的鑄造工藝。針對(duì)鑄造凝固過(guò)程中的縮孔缺陷問(wèn)題建立其SPH方法預(yù)測(cè)模型，將達(dá)到形成縮孔條件的粒子轉(zhuǎn)化為虛粒子，虛粒子模型不再參與熱量傳遞計(jì)算，建立了SPH方法縮孔缺陷模型，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)進(jìn)行了比對(duì)。等基于SPH方法建立了冷隔缺陷預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。建立了一種新的FDM/FEM模型來(lái)模擬擠壓鑄造凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)，并采用擠壓鑄造試驗(yàn)對(duì)FDM/FEM模型進(jìn)行了驗(yàn)證，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。利用有限元軟件對(duì)某齒輪箱擠壓鑄造過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)縮孔和氣孔缺陷進(jìn)行了預(yù)測(cè)，確定了縮孔率最低的工藝參數(shù)。但有關(guān)應(yīng)用SPH方法進(jìn)行縮松缺陷預(yù)測(cè)的報(bào)道很少。

本研究將對(duì)某廠生產(chǎn)的AM60B鎂合金支架進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)法（SPH）和有限元法（FEM）耦合的方式對(duì)該支架進(jìn)行縮松缺陷預(yù)測(cè)。由于SPH法在數(shù)值模擬中具有模型易于建立和編程、自適應(yīng)性好、易于處理復(fù)雜幾何外形等特點(diǎn)，故采用SPH法對(duì)壓鑄過(guò)程的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和凝固場(chǎng)進(jìn)行模擬，并在SPH法程序中加入Niyama判據(jù)對(duì)鑄件凝固結(jié)束后進(jìn)行縮松預(yù)測(cè)，同時(shí)與ProCAST軟件預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以證明在SPH方法下預(yù)測(cè)縮松結(jié)果的準(zhǔn)確性。FEM法通常用于壓力鑄造過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變分析，且計(jì)算精度高、速度快，故采用FEM法對(duì)鑄件進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，對(duì)出現(xiàn)縮松部位的預(yù)測(cè)提供依據(jù)，旨在為相關(guān)零件的生產(chǎn)提供參考。

圖文結(jié)果

（SPH-FEM耦合方法與縮松模型構(gòu)建公式請(qǐng)查看原文）

該支架鑄件屬于中等復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)件，主要起支撐和連接作用，其三維實(shí)體模型圖和基本澆注系統(tǒng)見圖1。鑄件的輪廓尺寸為108 mm×206 mm×586 mm，材質(zhì)為AM60B鎂合金，其成分見表1，鑄型材質(zhì)為H13鋼，其成分見表2。鑄件和鑄型的熱物性參數(shù)見表3。
在SPH程序中鑄件與鑄型的總粒子數(shù)為2 161 788個(gè)，其中邊界虛粒子有2 000 916個(gè)，金屬液實(shí)粒子有160 872個(gè)。為提高計(jì)算效率，在FEM程序中，網(wǎng)格劃分總數(shù)為410 834個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為426 904個(gè)。在ProCAST軟件中，模具網(wǎng)格尺寸為10 mm，網(wǎng)格數(shù)量為581 212個(gè)，鑄件網(wǎng)格尺寸為2 mm，網(wǎng)格數(shù)量為188 192個(gè)。

圖1 支架三維實(shí)體模型及澆注系統(tǒng)

表1 AM60B合金的主要化學(xué)成分(%)

表2 H13的主要化學(xué)成分(%)

表3 材料熱物性參數(shù)

支架工藝參數(shù)設(shè)置采用某廠提供的工藝參數(shù)，見表4。對(duì)于界面?zhèn)鳠釛l件的設(shè)置，由于鑄件與模具均為金屬材料且兩者為一致性界面，傳熱系數(shù)選為2 000 W/（m2·K）；對(duì)于模具與空氣直接接觸的部分，傳熱系數(shù)采用41.86 W/（m2·K）。設(shè)置重力加速度為9.8 m/s2，重力方向?yàn)閦軸負(fù)方向，沖頭壓射方向?yàn)閤軸正方向。

用SPH方法模擬支架零件壓力鑄造充型過(guò)程，壓室中的沖頭沿x軸正方向移動(dòng)，使橫澆道中熔融金屬液充滿型腔，鑄件充型完成所需時(shí)間為0.030 7 s。圖2為充型過(guò)程中不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的支架充型狀態(tài)圖，圖中左側(cè)為SPH模擬結(jié)果，右側(cè)為ProCAST軟件模擬結(jié)果?？梢钥吹?，SPH充型過(guò)程模擬結(jié)果與ProCAST模擬結(jié)果基本一致。因此，通過(guò)與ProCAST充型過(guò)程的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)SPH充型過(guò)程流動(dòng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)模擬結(jié)果基本與其一致，表明SPH方法可以很好地模擬液態(tài)金屬在型腔中的流動(dòng)狀態(tài)。

表4 生產(chǎn)工藝參數(shù)

圖2 支架零件充型過(guò)程模擬結(jié)果（左側(cè)為SPH模擬結(jié)果，右側(cè)為ProCAST模擬結(jié)果）

縮松是鑄件在最后凝固區(qū)域沒(méi)有得到金屬液的補(bǔ)縮而形成細(xì)小而分散的小孔，并且縮松的分散面積比縮孔更大，往往存在于鑄件內(nèi)部。圖3為SPH程序模擬該支架的ZY剖面和XY剖面縮松結(jié)果圖，其中在SPH程序中為了將出現(xiàn)縮松的實(shí)粒子顯示更加明顯，在程序中加入判斷語(yǔ)句，即當(dāng)實(shí)粒子的Niyama判據(jù)值≥0.5 ℃0.5?s0.5/mm時(shí)，判據(jù)值統(tǒng)一設(shè)定為0.5 ℃0.5?s0.5/mm。圖4為ProCAST軟件模擬計(jì)算結(jié)果沿中線的ZY剖面圖。對(duì)比圖3和圖4可以看出二者在關(guān)鍵位置預(yù)測(cè)產(chǎn)生縮松的情況幾乎一致，均出現(xiàn)在支架的較厚中心以及一些緊靠較薄模具的邊緣，可見SPH結(jié)合Niyama判據(jù)預(yù)測(cè)縮松結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 SPH縮松結(jié)果ZY剖面圖和XY剖面圖

圖4 ProCAST縮松結(jié)果ZY剖面圖

為了實(shí)現(xiàn)SPH方法建立的充型過(guò)程模型與FEM方法建立的凝固過(guò)程模型的耦合，采用了類似區(qū)域搜索的方法，即以FEM節(jié)點(diǎn)為中心，把有限元單元網(wǎng)格長(zhǎng)度作為半徑構(gòu)建球面空間，同時(shí)搜索球面空間內(nèi)的SPH粒子，然后通過(guò)對(duì)SPH粒子與FEM節(jié)點(diǎn)之間的距離系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，得到有限單元節(jié)點(diǎn)的初始溫度信息，完成溫度場(chǎng)結(jié)果從SPH粒子到FEM網(wǎng)格的傳遞，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏?zhǔn)確性，進(jìn)而使用有限元方法來(lái)模擬壓力鑄造凝固過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)程。圖5為基于SPH方法的充型過(guò)程完成時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)結(jié)果和基于FEM方法的凝固過(guò)程模擬初始溫度場(chǎng)結(jié)果?？梢钥吹剑褂脜^(qū)域搜索的方法可以很好地實(shí)現(xiàn)將SPH充型模擬溫度場(chǎng)結(jié)果到FEM凝固過(guò)程初始溫度場(chǎng)的傳輸，其結(jié)果也表明溫度載荷傳輸基本符合計(jì)算要求。

圖6為FEM程序模擬該支架應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果ZY剖面圖和XY剖面圖。通過(guò)圖6圓圈處并對(duì)比圖3可以看出，在支架產(chǎn)生縮松部位，受到的應(yīng)力較小。這是由于壓力鑄造下，金屬液充型快，保壓時(shí)間短，鑄件在力的作用下凝固并不充分。在鑄件某處的凝固收縮會(huì)導(dǎo)致未凝固部位的金屬液向此部位流動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)縮，如果在補(bǔ)縮的過(guò)程中受到的阻力相當(dāng)大，即流程壓力損失相當(dāng)大，補(bǔ)縮通道不夠暢通，而施加在金屬液上壓力不足以克服這一壓力損失而流到需要補(bǔ)縮的部位，則凝固部位得不到補(bǔ)縮，最終產(chǎn)生縮松缺陷。

圖5 SPH法充型結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)結(jié)果與FEM法凝固過(guò)程初始溫度場(chǎng)結(jié)果

圖6 FEM應(yīng)力場(chǎng)ZY剖面圖和XY剖面圖

主要結(jié)論

（1）應(yīng)用SPH-FEM耦合的方法模擬支架零件的壓力鑄造過(guò)程，采用SPH方法模擬充型過(guò)程和溫度場(chǎng)，結(jié)合FEM方法計(jì)算凝固過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)。由于該支架在力的作用下凝固，會(huì)影響該支架的溫度，因此對(duì)后續(xù)SPH計(jì)算凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)提供支持，以便于更加精確地預(yù)測(cè)縮松缺陷。并且與ProCAST軟件進(jìn)行對(duì)比，表明SPH-FEM耦合的方法程序計(jì)算準(zhǔn)確，運(yùn)行可靠。

（2）在SPH程序中加入Niyama判據(jù)進(jìn)行支架縮松缺陷預(yù)測(cè)，并與ProCAST軟件的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，模擬結(jié)果顯示二者基本一致。同時(shí)結(jié)合自主研發(fā)的FEM程序進(jìn)行凝固過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該支架縮松分布在中心較厚部位以及一些靠近較薄模具的邊緣?？赡苡捎谶@些地方受力較小，金屬液補(bǔ)縮過(guò)程受到的阻力大，并不能完全補(bǔ)縮。

【文章來(lái)源】

2025年第45卷第4期文章《基于SPH-FEM耦合方法的壓力鑄造縮松缺陷預(yù)測(cè)》

王天成1 葛濤濤1 賈金波1 牛曉峰1 侯華2,3 趙宇宏2

1. 太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2. 中北大學(xué)山西省有色金屬液態(tài)成型工程技術(shù)研究中心；3. 太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院