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外文翻译铸钢过程中最佳冒口的自动化设计
附录B:
英文原文及翻译
铸钢过程中最佳冒口的自动化设计
DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SharifUniversityofTechnology,P.O.Box11365-9466,Tehran,IranReceived12May2007;receivedinrevisedform4July2007;accepted12September2007
Availableonline6October2007
摘要:
铸钢过程中最佳冒口的自动化设计方法。
最初的设计是铸造的一部分(无冒口),它被放在一个合适的模具中。
每个支线的设计包含以下步骤:
冒口颈部的测定,铸件表面的连接点的设计,初始冒口设计,冒口形状优化和冒口拓扑优化。
完成该方法设计的首架支线后,再设计下一个,如果需要,将重复同样的工作。
根据此方法设计的冒口按它们根据大小呈降序排列。
关键词:
拓扑优化冒口设计铸造工艺优化,形状优化;
1.介绍
由于熔融金属凝固过程中在模具型腔中的体积收缩,新鲜熔化的金属部分应使之充型收缩。
然而,由于新鲜的熔融金属不能被送入隔离的金属周围使之完全凝固,就会形成一个空腔和其他的空白地区,如其中的孔隙度缺陷就是作为熔融金属的收缩而形成。
从而形成了的腔被称为缩孔,这是一个严重的铸造缺陷。
馈线追加到为了补偿凝固收缩铸造和提供(铸造的定向凝固冒口)进行最后的凝固点,以使出线。
因此冒口要设计在在最后凝固点附近。
冒口被切断后完成完整的回收凝固。
因此,适当的设计(冒口的数量,位置,大小和形状)是一个健全的铸件生产的关键。
此外,它需要通过减少冒口来降低生产量成本。
近年来,铸造业中缩孔被广泛用于铸造模拟设计评估和预测。
现在铸造模拟系统是为代工用户提供软件程序,由用户设计,然后分析设计的可能性作出预测缺陷。
一旦分析已经完成,用户查看分析结果,如果铸件内一个潜在领域发现了缺陷,那么用户需要做一些逻辑设计修改和重复仿真,直到得到所需的结果。
因此,传统的试验和错误铸造的设计周期已被计算机取代。
但仿真软件包往往用在过于棘手的和需要在CAD以及实体建模冒口的设计原则上。
此外,引导设计是没有本质的优化它的质量,所以功能用户需要很有耐心。
近年来已发表大量的论文报告,数值优化成功地运用在最佳冒口设计领域的方法上。
[29,19]。
这些作品在最佳冒口设计制定的形状优化问题上,直接运用灵敏度分析解决梯度的最小化方法。
目标函数被定义为冒口量和约束定义,使沿线的一些先验的定向凝固来定义冒口路径。
[11,10,13]作者不用同样的方法,而是用一种特殊的(计算便宜)有限差分法。
[22]内侧基于轴的插补方法(见[21])为加快凝固分析优化过程。
铸造工艺优化相关的其他作品通常处理的边界优化条件或热界面传热系数,是为了满足理想的目标温度轨迹[33,25]和预期目标凝固路径[12,17]。
虽然上述作品成功展示确定应用为最佳优化过程冒口设计,但没有实现自动上料机设计,因为他们依靠近可行的初步设计(冒口的数量,位置和形状),在不容易的三维几何的情况下,他们也需要一些先验来定义冒口路径。
本研究提出铸钢工艺最佳冒口自动化设计的新方法。
这方法作为输入铸造(不含支线)其冒口,使最终的设计是收缩缺陷的几何设计(或保持缺陷免费比定义的阈值较小)。
冒口设计的概念可以很容易地包含在用户的贡献原则所提出的方法。
所提出的另一个特点方法是有效的数值实现,这使得它成为一个现实世界的情况下可行的设计工具。
2.铸造的数学和数值模拟凝固
从宏观的角度来看,如果在凝固过程中忽视效果熔体的流动,则凝固管辖与相由非线性热传导方程改变。
为解决这有几种方法方程(见良好的调查[8,14])。
其中选择这些方法所需的精度和可用功能计算资源。
作为数值优化一个反复的过程,合理有效的数值方法精度是更为可取的。
[28]稳定明确传导的有限差分法为主提出了相变问题。
这计算方法与一个明确的方法的成本相同(每时间步长),由于稳定性标准,它是不受时间步长的限制。
[27]相变求解延长模拟真实世界铸件的凝固方法,其效率的提高,包括域分解法。
为了演示简洁,我们有兴趣的读者请参考文献。
[27,28]的详细信息关于数学和数值模拟铸造在本研究中使用的凝固方法。
3.凝固诱导缺陷预测
正如在第1条,支线的主要目的设计无缺陷的铸件生产(尤其是宏观收缩)。
因此,在这项研究中,预测凝固合理精度的缺陷是一个重要的阶段。
3.1.宏观收缩预测
由于金属的凝固收缩,数值模型可以预测大孔隙的形成。
通常有三种类型,第一个[18]涉及流体力学方程的完整的系统解决方案(Navier-Stokes方程与能量方程耦合)。
虽然这种模式用一个正确的工具来研究孔隙形成的现象,这可能是计算比较昂贵,因为每次加强数值算法完整的解决方案涉及的势头和能量方程。
在第二个模型[1,2],在自由表面全流体力学方程系统一并解决以ALE为液态金属的直接跟踪方法。
糊状的热机械行为区域和固体区域还包括准确预测的缩孔。
前一种方法计算成本高,因此,它不适合我们的要求。
第三种模式,简化收缩模型[9],是基于解决方案的能量流体流动方程。
在铸造区在每一个时间步,孔隙度预测评价是在每个孤立的液体凝固收缩量上。
此卷是按照上方的液体地区液态金属量减去从细胞流体被删除的量。
液体地区的“顶级”定义重力的方向和自由表面在每个隔离区域的液体被认为是水平的。
这种方法的相关性支持,在许多情况下,金属液体流动忽略。
因此,孔隙的形成是由金属冷却和重力的影响。
透气性限制液态金属之间的糊状区可以很容易地纳入在这个模型。
这种模式的实施基于对价。
[9]在本研究中使用。
因为在这模型,大部分的CPU时间部分被消耗,标志着孤立液体区域。
一个基于新的孤立液体快速行进的区域标记算法[24]中介绍了目前的研究(见附录A)
3.2.微观收缩预测
微收缩缺陷是另一个问题,应考虑冒口设计,尤其是与合金大的凝固时间间隔。
丹山,[20]一个简单的预测钢中的微收缩措施的铸造工艺。
丹山标准被定义为,G/√R其中G为温度梯度,R是在凝固冷却速率(固相线温度)。
基于的丹山结果,任何铸造点丹山标准是低于一个临界值的微收缩缺陷发生。
临界值的G/√R级是合金成分的功(775K-1/2S-1/2M-1丹山报告某些类型的钢合金)。
用解决方案来评价这个标准是足够的能量方程,因此它不施加相当大的额外费用。
因此它是适合我们的目的的。
如今Niyama的标准被广泛应用于商业软件包预测微收缩。
4.最佳冒口自动化设计
在本节中,我们提出我们的方法,那就是自动铸钢过程中的最优冒口设计。
在这项研究中所提出的的方法包括以下主要步骤:
(1)初始化,
(2)缺陷预测,(3)缺陷分布并寻找合适的位置接驳颈部连接,(4)冒口和冒口颈部设计,(5)形状添加冒口的优化,(6)拓扑优化添加冒口(如果需要的话),(7)要加强2,重复相同的步骤,直到在铸造过程中残存的缺陷成为低于定义的阈值(或其他定义阻止条件得到满足)。
如果只有一个主要的热点内的铸造,应把冒口连接到最接近的铸造面热点。
据位于两个或多个孤立的热点除了需要多个冒口。
如果有几个热点,不同的凝固,倍,可接最初设计为最热的一个,通过分析,以验证是否遵循相同的冒口。
也可以在任何其他的热点上设置冒口。
冒口设计是未来最大的热点,等等[23]。
目前的研究表明冒口颈部连接位置是缺陷分布的第一步。
当我们有多个不同的凝固时间的热点,这一步是必不可少的。
自动考虑到上述原则提出的算法,即首架支线。
这是最重要的单个最大收缩缺陷的铸件的部分设计。
在同一的方式下,设计的第二接点是排名最大的接点,最后的设计冒口是最小的那个。
在此方法中,假定的小冒口没有凝固相当大的区域,其相应的为更大的冒口条件(冒口设计前)。
这是一个可行假设,原来的铸造需要一些各种尺寸的冒口,或多个大致相同大小的冒口,需要在这些冒口有不凝固的相当大的影响对方的条件(例如,有一些光节铸件之间的沉重部分)。
如果这个假设是不可行的,最终的设计不是最佳的冒口(见第5节),它可能是次优的(不是最终设计生产的铸造)。
该方法的整体流程图所示图1。
在以下小节中讨论上述步骤的细节。
图1.最佳冒口自动化设计过程的流程图
4.1.初始化
在这一步铸造几何(不含支线),表示用户属性和边界条件。
然后输入几何体被嵌入在一个合适的模具离散框和模具盒(包括铸造)。
根据定义网用户一个统一的笛卡尔网格大小。
每个笛卡尔网格称为像素。
目前研究的OpenSource网格发电CartGen[26]为此目的而使用。
我们有一个三维数组,F存储类型像素(而非CAD几何)。
在本研究中我们有两个像素类型:
铸铁体素,F=1和模具像素F=0。
从模具表面使铸造模具盒维数被选中,具有至少一个最小距离。
vqmin值,是一个用户定义的参数是根据铸件重量/正式选定最大铸件厚度。
像素大小应该根据铸件的几何形状的复杂性来确定(和选择通常的用户体验)。
小像素尺寸导致计算成本高,大像素程序大小导致误差。
请注意,在优化过程模框大小(由于另外的冒口)等总像素的数量正在逐步增加。
在初始化步骤的另一个任务是表面设计空间的定义。
表面设计空间,Cdesign,定义作为一个子集铸件的表面,Ccast,这是可行的连接冒口脖颈。
作为一般规则,连接冒口颈部小于绝对的铸铁表面曲率值是可取的。
特别是连接冒口颈部凹面(表面带有负应防止尽可能曲率)(考虑去毛刺,切割和加工程序,通常需要铸造后)。
可以是曲面的曲率从CAD模型中提取以下关系:
其中,k是局部曲率,n是本地向外铸件表面的法线向量。
请注意,在实际应用更复杂的表面几何推理适合Cdesign定义至关重要。
因此,使用智能几何推理模块来基本一致的定义Cdesign。
要生成一个切实可行的设计,用户定义的贡献有可能从中受益Cdesign。
用户可以通过这种方式排除一些不可行表面形成Cdesign。
Cdesign在voxelized几何,表面名单像素,与Cdesign有非空订阅。
“表面体素是那些至少有一个模具在其附近的像素。
在本研究中存在相邻像素时,他们两个像素被称为一个共享的面孔。
4.2.缺陷预测
在这个阶段,是由能量方程解与宏观或微观缺陷预测方法来确定铸造场(原铸造缺陷+添加冒口,如果在以前添加一些冒口周期)。
4.3.缺陷分布
冒口设计过程中主要的重要步骤之一是选择合适的铸件表面上冒口颈部的连接点。
如果只有一个主要内热点铸造,选择温度最高的点(或与最高点局部凝固时间)铸件表面成员的Cdesign是一个可行的选择。
但是,当我们有孤立的两个或两个以上不同的凝固热点时,自动选择冒口颈部的连接点是非常困难的。
为此,我们顺利和分发中投量的缺馅领域,使他们的影响以合适的方式传送到铸铁表面。
“这一步的应用在缺陷领域是预测的缺陷的方法之一:
宏观或微观(类型是用户选定的参数)。
以下Helmhotlz类方程用于分发缺陷在目前的研究领域
(2):
其中d是预测的缺陷领域,是分布式(平滑)的缺陷磁场,>0是一个缩放控制扩散尺度(在这项研究中=1),是空间变量的缺陷扩散系和的是空间域的部分,仅包含原始铸造(不接驳)。
请注意,我们不喜欢的各向同性分布的缺陷,但我们更愿意有更多温暖的部分缺陷扩散和减少缺陷寒冷地区的扩散。
用于此目的的缺陷扩散基于局部凝固系数。
被选中时间。
在当地的研究等于凝固时间。
需要注意的是,当我们使用减少收缩模型预测宏观缺陷,其效果通常(并不总是)出现在铸件表面,但目前还没有表面点到选择冒口颈部的连接点之间足够的反差。
解
(2)不仅转移到铸件内部缺陷的影响表面一致的方式,而且表面还提供足够的对比选择冒口颈部的连接点。
作为能量方程,
(2)同样是解决有限在本研究中的差分方法。
传统的中央使用优先差分离散扩散
(2)条款。
由于准确的解决方案
(2)没有必要,
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