MAGMASOFT 镁合金数据库开发与应用设计.docx
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MAGMASOFT镁合金数据库开发与应用设计
MAGMASOFT镁合金数据库开发与应用
摘要
MAGMASOFT铸造仿真软件是全球最佳的大型铸件铸造模拟软件工具,为铸造业提供改善铸品品质,制程条件,降低成本,增加竞争力的唯一选择。
铸型的充填、凝固、机械性能、残余应力及扭曲变形等的模拟为全面最佳化铸造工程提供了最可靠的保证。
以往只有对铸造工程参数及铸造质量的影响因素有透彻的了解,才能使铸造工程师对生产高质量的铸件拥有信心。
传统的方法对铸造工程的最佳化工作既耗资又费时,时程的压力使得很多铸造工程无法发挥全面的潜力。
通过MAGMASOFT材料库中镁合金数值模拟界面对软件的相关功能进行了简介。
通过建立镁合金数据库,对镁合金铸件进行铸造数值模拟,熟悉MAGMASOFT软件,掌握其应用。
数值模拟以及数据库在产品研发过程中的重要作用,特别是对于新品研发过程中节约时间、优化设计等的突出作用越来越明显。
借助计算机完成产品定型的相关设计以及生产加工模拟是当今工业生产缩短研发周期和节约开发费用的重要手段。
而材料的相关数据数据库是进行数值模拟的钥匙。
关键词:
MAGMASOFT、数值模拟、镁合金、数据库
毕业设计课程设计毕业论文详细资料联系QQ号;1620812008
TheDevelopmentandApplicationofMAGMASOFTInternalStandardMateriallibrary
Abstract
MAGMASOFTcastingsimulationsoftwareistheworld'sbestsoftwaretoolsfordiecasting.Itistheonlychoiceofcastingforthefoundryindustrytoimproveproductquality,processconditions,reducecostsandincreasecompetitiveness.
Moldfilling,solidification,mechanicalproperties,residualstressanddistortionofthesimulatedcastingprojectforthecomprehensiveoptimizationprovidesthemostreliableguarantee.Previousworksonlyonthecastingparametersandthequalityofcastingathoroughunderstandingofthefactors,canproducehigh-qualityfoundrycastingengineershaveconfidence.Thetraditionalmethodofcastingengineeringworktooptimizebothcostandtime-consuming,time-pressuremakesalotofcastingprojectcannotplayfullpotential.
BaseonthenumericalsimulationofmagnesiumalloyinterfacewithMAGMASOFTmateriallibrary,thesoftwarefunctionswererelatedtous.MagnesiumalloybycastingonNumericalSimulationoflearning,familiarMAGMASOFTsoftware,masteritsapplication.Numericalsimulationanddatabaseintheproductdevelopmentprocessanimportantrole,particularlyfornewproductsthatsavetime,optimizethedesignismoreandmoreprominent.Withthecompletionofproducttyperelatedtocomputerdesignandmanufacturingprocesssimulationistoshortenthedevelopmentcycleinindustrialproductionandanimportantmeansofsavingdevelopmentcosts.
Keywords:
MAGMASOFT;NumericalSimulation;MagnesiumAlloy;Database
摘要
Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
随着铸造CAE技术的不断完善和发展,不少成熟的实用铸造CAE软件开发并推广应用到实际生产中,如德国的MAGMASOFT、美国的ProCAST、韩国的ANYCAST以及国内华中科技大学开发的华铸CAE等。
其中MAGMASOFT是德国MAG-MA公司开发研制的,是当前世界上最佳的铸造CAE软件之一,它能够准确地预测铸件缺陷以及其处理结果的可视化,MAGMASOFT正成为越来越多的铸造专业人员分析和优化铸件铸造工艺的重要工具。
但MAGMASOFT软件自带的材料库采用德国标准,而有些国内牌号的材料没有相应的德国标准,给模拟带来麻烦和阻碍。
1.2镁的性质及用途
镁是结构材料中最轻的金属,它的原子序数12、原子价+2、相对原子质量24.3050,镁的最高纯度为99.98%时,动态弹性模量为44GPa,静态弹性模量为40GPa;293K镁的纯度为99.80%时,动态弹性模量为45GPa,静态弹性模量为43Gpa,随着温度的增加,镁的弹性模量下降[1]。
自从1808年金属镁被HmuphryeDvaye首次提纯出来后人们一直没有放弃对它的研究开发,到1886年金属镁终于进入商业开发阶段。
当人类历史进入20世纪70年代以后,世界各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制,为此世界各大汽车生产商与1993-1994年提出了“3L汽油轿车”的新概念[2],这些要求迫使汽车制造商不得不采用新材料、新工艺和新技术,从而促进了镁产量的大幅度提高。
金属镁是人类可以制得并在空气中长期存在的有实用价值的最轻的金属,在工业上通常由电解法或硅还原法制得。
近年来,节能、环保概念在世界范围内趋热,镁由于其重量轻等优异性能,在汽车、航天、航空、铸造、化工电子、通讯、仪器、机械制造、交通、蓄能材料、建筑装饰、球墨铸铁、脱硫剂、格氏试剂、焰火、军事照明弹及镁阴极保护防蚀材料、镁合金等产业中的应用也迅猛发展[2]主要产品有:
镁型材、牺牲阳极、镁锭、镁合金、镁型材以及镁压铸件等等。
1.3国内外镁合金铸造行业的概况
镁是1808年H.Davy发现的银白色金属,是地壳中储量最丰富的元素之一,储量在金属之中居第八位[3],镁的室温密度为1.74c/cm3,是实用金属材料之中最轻的,约为铝的2/3。
镁合金具有密度小、比强度高、良好的导电性、导热性、减震性和磁屏蔽性、易于二次使用和机械加工性好等优点。
镁合金的强度接近铝合金,其比强度明显高于铝合金和钢,比刚度则与铝合金和钢相当。
从1927年推出高强度MgAl9Znl开始,镁合金的工业应用获得了实质性的进展。
镁合金压铸件在汽车、计算机、通讯、电子、电动工具、运动器具等领域获得了日益广泛的应用。
北美、欧洲和日本是镁合金压铸件用量较多的国家和地区,其中80%镁合金压铸件用于汽车生产。
因此镁合金的压铸工艺性能对其在工业中应用的发展起着决定性的作用[4-6]。
1.3.1国外镁合金铸造行业概况
镁合金铸造始于20世纪20年代中期的德国,在1927-1930年,镁合金在一辆汽车的用量已达7.3kg,但由于镁合金熔炼及生产工艺不成熟,致使镁合金生产发展比较迟缓。
1970年的石油危机使镁合金在汽车工业中日益受到重视。
到了20世纪80年代后,北美国家的一些汽车生产商为了减轻汽车的净重量,达到平均燃油标准,用镁合金生产离合器壳体、进气岐管等部件,取得了明显的效果。
1990年以来,世界各国政府高度重视镁合金的研究与开发,美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划,把镁合金列为21世纪研究与开发的重点项目[7-9]。
由于镁合金在应用中显示出了巨大的优势,1996年美国政府能源部与通用、福特和克莱斯勒三大集团签署了一项名为“PNGV”(新一代交通工具)的合作计划,该计划的目的在于生产出符合市场要求的节能轿车,政府的这一行为极大地促进了镁合金铸件的开发与应用[10]。
1995年前后,加拿大联邦政府及魁贝克省与“Hydro”公司共同投资1140万加元成立了一个新的镁研究中心,其宗旨是通过优化设计、工艺和材质,获得具有优良性能的镁合金铸零部件,从而进一步拓展镁合金的应用[11]。
与此同时,日本的三菱、丰田等汽车公司也都在大量使用和生产镁合金铸件,松下公司开发了镁合金压铸新型电脑外壳,索尼公司用镁合金压铸制造摄像机外壳[12]。
德国1997年由德国科技教育部牵头,联合德国60余家企业、6所大学及研究所、投资3000万马克以解决镁合金铸造生产,以及镁合金铸造生产和加工中的各种关键技术难题,建立起一套完整的镁合金铸造及加工的工艺规范,并将镁合金铸造件应用于汽车、计算机、航空航天、通讯、医疗、轻工等领域。
该项目取得了丰硕成果,显著促进了镁合金在德国及欧共体汽车工业的应用。
2004年6月,德国宝马开发出采用镁合金的直列6缸发动机,曲轴箱内部采用铝合金,而外部则采用镁合金[13-14]。
目前在美国和欧洲正在使用或正处于研制的镁基合金压铸的汽车零件至少超过60种,如汽车仪表盘、进气歧管、汽车座架、轮毂、发动机和安全部件等。
信息产业也在积极开发镁合金铸造件,尤其是随着数字化技术的发展,电子元器件趋向于高度集成化、轻薄化和微型化,镁合金是电子产品的最佳壳体材料,如手机外壳、笔记本电脑壳体、数码照相机和数码摄录像机壳体等[8]。
国际镁协提供的资料表明,从1991到2008年间,全世界对镁的需求量将成倍增长。
1991年世界镁铸造件用量为2.4万吨,而1997年高达6.4万吨。
预计2000-2010年间全球铸造镁的用量以年平均15%的速率增长,北美达30%,欧洲高达60%[15]。
1.3.2国内镁合金铸造行业概况
我国拥有丰富的镁资源,1958年在东北生产出第一块合格的变形镁合金铸锭,现在己经成为原镁生产大国和出口大国,2000年全国产量约20万吨,80%以上作为初级原料低价出口,国内消费2万吨左右[16]。
我国镁合金铸造起始于20世纪60年代末和70年代初。
当时从事镁合金铸造研究的单位仅有西北林业机械厂、西北工业大学、秦岭机电公司和上海航海仪表厂等单位。
上海航海仪表厂生产出了船用陀螺仪表壳体零件。
西北林业机械厂与西北工业大学、秦岭机电公司合作,成功生产出了各种林业机械用镁合金压铸件19个零件号,并制订出了镁合金熔炼、保护、铸造工艺、铸件表面保护工艺等一系列工艺文件。
改革开放后,随着我国汽车工业、电子通讯工业的飞速发展,对镁合金铸造件的需求与日俱增,目前全国已有一些工厂从事镁合金压铸件生产和研究。
但是无论以吨数或以百分数计算,规模都很小,而且镁合金铸造业小而分散,主要分布在上海、陕西、南京、珠江三角洲等地。
主要有上海乾通汽车附件制造有限公司生产桑塔纳轿车变速箱壳体(年消耗2000吨),镁合金用量仅占2000年全国原镁产量(20万吨)的1%;南京华宏(集团)有限公司铸造厂在生产微型汽车镁合金变速箱铸造件;贵州息烽铸造件厂、深圳、东莞等数家工厂在生产笔记本电脑外壳、手机外壳镁合金铸造件等[17-18]。
“十五”期间,国家启动了“镁合金应用及产业化”的攻关项目,集国内镁合金研究基础较好的院所(如:
北京有色金属研究总院、上海交通大学、重庆大学、沈阳工业大学、清华大学)、镁合金生产应用企业(如:
长安、隆鑫、重庆镁业、一汽、二汽、成都发动机公司、海尔、海信等)、地方政府(如:
重庆、青海、宁夏、青岛、深圳等),以产、学、研、用相结合的形式,推动我国镁合金应用及产业化健康有序的发展,以期在三年内,完成常规镁合金应用技术的开发、推广应用。
目前,参与该项目的相关院校、研究所和企业研发人员达500余人,各课题的主要负责人有长期在国内从事铝、镁等轻金属材料的研究工作,积累了丰富的经验,也有曾长期在国外从事镁合金研究工作,掌握了国外镁合金产业的发展动态[3,16,18]。
据专家预测[19],我国镁合金零部件在汽车上的应用量以年15%的速度增长。
我国加入WT0后,充分利用我国制造业基础雄厚、劳动力价廉的优势,将我国的镁资源优势转化为镁产品、镁技术优势,为我国制造业利用汽车等零部件全球采购的渠道进入国际市场创造了得天独厚的机遇。
因此,国内国际汽车零部件市场为我国镁合金应用及产业化事业提供了巨大的发展空间。
1.4镁合金制件的成形方法
镁合金制件的成形方法分为铸造和变形两类。
1.4.1铸造成形
铸造成形可采用重力浇注、低压铸造和压铸法,近年来又出现触变注射成形新技术。
其中以压铸的工艺和设备最为成熟,目前国内外的镁合金制件绝大多数用压铸法生产。
为了提高压铸件的质量,扩大压铸件的使用范围,近年来研究开发了一些新的铸造技术,如真空压铸,半固态触变压铸技术等。
1.由于镁合金熔体易氧化以致燃烧,铸造时热裂倾向比铝合金大,因此镁合金在熔化、浇注和铸造熔体的温度控制等方面都比铝合金铸造要复杂。
压铸机分热室压铸机与冷室压铸机。
热室压铸机的生产效率高,约为同容量冷室压铸机的2倍,通常用于质量不大(一般在2kg以下)的薄壁铸件。
冷室压铸机适于生产壁厚和质量较大的制件,如汽车座椅、框架、汽车轮毂等产品[3]。
2.真空铸造是在压铸过程中抽出型腔内的气体,以减少或消除在压铸件内的气孔和溶解于合金中的气体,提高铸造件的力学性能和表面质量。
真空铸造镁合金件的最小壁厚为1.5~2.0mm,铸件强度可提高10%以上,韧性提高20%~50%,目前已成功地用真空压铸法生产出镁合金汽车轮毂和方向盘等一批主要汽车零件[13]。
3.半固态触变铸造技术[18-19]:
触变注射成形的工艺过程接近于注塑成形。
其原理是首先将镁合金锭加工切制成细颗粒状,将此种镁合金颗粒装入料斗,强制输送到粒筒中,粒筒中旋转的螺杆驱使镁合金颗粒向模具方向运动,当其到达粒筒的加热部位时,合金颗粒呈部分熔融状态,在螺旋体的剪切作用下,具有枝晶组织的合金料形成了具有触变结构的半固态合金,当其累积到一定体时,被高速注射到抽成真空的预热型腔中成形。
与传统的铸造相比,触变注射成形无需金属熔化和浇注等工序,生产过程较为清洁、安全和节能。
单位成形件的原材料损耗大为减少,无爆炸危险,无需SF6气体保护,成形过程中卷入的气体大幅度减少,因此成形件可以热处理,成形件致密度高,力学性能好,耐蚀能力强。
但其工艺还不是很成熟。
1.4.2变形成形
目前铸造镁合金产品用量大于变形产品,但经过锻造、挤压或轧制等工艺生产出的变形镁合金产品具有更高的强度和更好的延展性,具有铸造镁合金产品无法取代的优良性能。
镁合金可以用轧制、挤压、冲压、热锻和超塑性成形等方式进行加工[14-15]。
1.轧制,镁合金在室温下塑性很低,轧制加工比较困难,因此最好用热轧与温轧。
2.挤压,目前镁合金管、棒、型材主要采用挤压方法加工成形。
薄壁镁合金管件,由于其截面面积减小,因此可显著减轻质量。
3.冲压,镁合金在常温下不宜冲压,一般冲压温度必须在150℃以上。
4.等温锻造,镁合金在常温下锻造容易脆裂,锻造温度须在200~400℃之间。
但镁合金在高温下,尤其在超过400℃时产生腐蚀性氧化及晶粒粗大,锻造温度范围较窄。
因此镁合金较难锻造,而适合于采用等温锻造。
我国已用等温锻造工艺成功地成形了飞机上的形状复杂的镁合金机匣。
5.超塑成形,镁合金塑性较低,用常规变形方法加工较难,近年来美国和日本等国专家对镁合金的超塑成形技术进行了研究。
研究表明,很多变形镁合金在一定的条件下具有超塑性,可以一次成形复杂的零件。
1.5CAE技术在铸造成形中的应用
压铸模CAE作为计算机在模具行业的一项新型应用技术,除了具有本身固有的特性和内容外,还将补充和完善现有的CAD/CAM系统的功能。
它的兴起预示着计算机技术在模具上的应用朝着集成化的方向发展。
铸造模CAE和CAD紧密相联,CAE利用CAD计算得到的型腔数据和模具结构,结合压铸机参数、压铸工艺参数、压铸材料和模具材料的性能指标等进行分析计算,得到的分析结果又反过来指导设计人员修改设计方案,直至合理利用这项技术[16-22]。
通过模拟分析,可动态观察金属从开始浇注到最终凝固的整个过程,并可精确预测可能出现的各种缺陷,这样在设计阶段就尽可能地发现设计的不足之处,然后进行修改,从而避免传统的因“设计-试模-修改-试模”而导致设计周期过长以及试模成本过高的弊端,为企业缩短产品开发周期、降低生产成本、赢得市场空间提供保障[27-28]。
铸造模CAE目前主要以铸造件充型的流场数值模拟、铸造模铸造件温度场模拟、铸造模铸造件应力场数值模拟为主[16.26]。
一些商业三维数值模拟软件如:
MAGMASOFT、Procast、Simular、Soldia等已经在市场上出现。
应力场的数值模拟主要着眼于研究热疲劳对模具寿命的影响以及铸件的变形等问题[24]。
温度场的数值模拟软件主要有EKK、Flow-3D、MAGMASOFT、Procast等。
算法主要有FEM和FDM,也有边界元算法(BEM)。
型腔充填过程的研究开始较晚,是当前铸造数值模拟的热点和难点。
L.H.Kallien利用K-ε双方程模型将紊流的作用结合到MAGMASOFT软件中,对一个具有浇不足缺陷的锁盖铸造件进行了充型过程的模拟分析[24]。
但由于铸造充型在高压高速条件下进行,是属于非充分发展的紊流流动,给数值模拟带来很大的困难。
目前的研究正着眼于改进和完善数学模型与计算方法,使得充型模拟更能接近于实际充型情况[25]。
在国内,沈阳铸造研究所和香港理工学院模拟研究了浇口位置对金属液充型过程的影响。
结果表明铸造浇道设置主导充型模式,在给定设置中扇形浇道显示出良好的充填特性,其模拟结果和水力试验结果吻合良好。
1.6课题内容及意义
由于国外铸造CAE软件所使用的材料数据库都不是中国标准,而且国内外的铸造CAE软件的材料数据库中的材料都是有限的,对非标材料和新材料的模拟不能顺利进行。
比如MAGMASOFT带有比较强大的材料类型及其相对应的热物性参数及相应机械性能参数的数据库,但是由于MAGMASOFT材料的数据库所使用的是德国标准。
国内用户进行模拟时需要进行转化对照,有的国内没有其相应的德国标准,给国内用户进行生产模拟带来麻烦和阻碍。
因此迫切需要对国内标准牌号的材料库进行开发,对非标材料和新开发材料的模拟进行研究,确定行之有效的方法使对各种材料的铸造过程都能进行顺利地数值模拟。
本文是在MAGMASOFT中进行镁合金材料数据库的开发的,但是所开发的国内标准材料数据库同样适用其他的铸造CAE软件,所研究的确定材料参数的方法同样可以应用于工程合金的铸造研究中。
国内标准牌号镁合金材料数据库的开发可以实现铸造CAE软件对国内镁合金材材料和非标及新开发材料的铸造过程顺利进行CAE模拟,达到使用软件更好服务于生产的目的。
第2章软件介绍
2.1MAGMASOFT软件介绍
MAGMASOFT铸造仿真软件是全球最佳的铸造软件工具之一,为铸造业改善铸件品质、制程条件、降低成本、增加竞争力提供了最优选择。
MAGMASOFT是为铸造专业人员实现改善铸件质量,优化工艺参数而提供的有力工具,它运用仿真传热及流体的物理行为,凝固过程中的应力及应变,微观组织的形成,MAGMASOFT得以准确地预测铸件缺陷,改善现有工艺的不足,提高铸件质量。
铸件的质量受众多因素影响,而质量的保证必须依靠正确的铸造工艺方案。
MAGMASOFT就是设计用以支持从熔炼冶金,造型及铸型制作,浇注过程一直到热处理,炉子材料及修补,整体且全面的工艺优化工具。
MAGMASOFT适用于所有铸造合金材料的铸造生产,范围白灰铁铸造,铝合金砂型铸造,到大型铸钢件铸造。
可应用于:
铸造部件设计的开发、最佳化生产制程、新模具的生产、现有模具及铸型的更新、质量控制及完善工程档案。
MAGMASOFT铸造仿真软件为铸造业提供改善铸件品质,制程条件,降低成本,增加竞争力提供了较好的选择。
2.1.1.主模块
主要包括几何实体建模、CAD模型、导入接口和网络自动化分的前处理模块、用于输入工艺参数和执行运算的模拟分析模块、用于输入工艺参数和执行运算的模拟分析模块、用于模拟结果三维可视化,动画演示和评价的后处理模块。
其可以进行多个模具型腔的模具模型设计、一些标准件可保存在数据库中,可以随时调用。
CAD模型导入接口模块,可以将在不同CAD软件内建立的几何模型导入前处理器中MAGMAmesh模块能够在几分钟内将几何模型自动划分为合适的网格,网格的尺寸和精度可根据用户定义的参数进行调整。
金属流动模块MAGMAfill能够模拟各种铸造工艺中的金属液的充型过程,其模拟结果包括:
金属液的流动方式,金属液在型腔内的流动速度,充型过程中的温度分布和传热情况。
充型过程中可能出现的冷隔、浇不足、冲砂、卷气和夹杂等缺陷。
实现帮助工程技术人员优化浇注系统、预测由于高速金属液冲刷而造成的冲砂缺陷。
根据浇注系统、浇注速度或浇包底部的压力确定浇注时间,优化压力铸造中溢流槽的位置考察因紊流导致的夹杂或卷气倾向。
过滤片的正常使用等工程技术问题。
传热和凝固模块MAGMAsilid模块是求解铸造凝固和冷却过程的强有力工具该模块考虑了液态和铸态的收缩效果和缩孔缩松的形成,其主要提供一下信息,凝固方式和补缩通道,铸件各处的凝固时间,铸件中的关键位置温度梯度和冷却速度,模具和型心的热载荷,铸件、模具或铸型内任意位置点的冷却曲线。
其有助于帮助于铸造技术人员实现以下目标:
1.优化铸造工艺和模具设计;
2.优化冒口位置以提高补缩效率并降低冒口数目和尺寸;
3.提高冷铁效率、降低冷铁数量;
4.深入了解工艺过程,例如,取出铸件的最佳时间、模具是否需要冷却、冷铁的效果、型心受到的热冲击等;
5.定量分析铸铁各部位的热模数以确定冒口位置、尺寸和数量;
6.考察消除缩松缩孔的铸造工艺。
2.1.2.应力模块
铸造过程中由于不均匀的温度分布导致铸件和模具产生应力和变形。
MAGMAstress应力模块能够预测铸件在凝固和冷却过程中的应力场分布和相应的应变和变形。
而且,能够预测金属铸型中的应力和应变状态。
MAGMAstress应力分析模块利用MAGMASOFT标准模块求解的温度场进行模拟。
MAGMAstress应力模块完全集成在MAGMASOFT软件中。
其主要考察铸件、模具与温度相关的非线性材料特性,尤其是弹性模量、屈服应力、泊松比;热膨胀系数、材料的加工硬化。
MAGMAstress应力模块能够实现以下几个目标:
1.优化铸件在室温时的残余应力分布;
2.使铸件产生的变形和收缩最小;
3.防止冷裂;
4.预测铸件在凝固和冷却过程中由于冷却的条
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