挤压铸造是一种结合铸造和锻压工艺特点的近净材料成形技术，可以成形出形状精确、表面精度高、组织均匀、晶粒细小的铸件。挤压铸造件的力学性能较高，加工特性优良，优于普通铸件，而且挤压铸造工序较少，因此，广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗仪器仪表等行业中。

在挤压铸造实际生产过程中，液态金属以较低的速度充填型腔，并在较大的压力下凝固，在成形薄壁件时，易发生涡流并产生一定的塑性变形，从而卷入气体形成孔洞、应力集中等缺陷。可以利用数值模拟方法来预测充型过程中气体的卷入以及凝固过程中产生的缩松、缩孔及应力集中等缺陷。研究者应用SPH方法对复杂薄壁零件进行了压铸模拟，证明了SPH法在压铸填充过程中更能捕捉高速运动下的金属液流动状态。建立了镁合金汽车轮毂挤压铸造过程的有限元方程，设置了模型参数来计算金属液充型和凝固过程中的温度场变化。利用有限元软件对某齿轮箱挤压铸造过程进行了模拟，并对缩孔和气孔缺陷进行预测，确定了缩孔率最低的工艺参数。建立了一种新的FDM/FEM模型来模拟挤压铸造凝固过程中的温度场，并采用挤压铸造试验进行验证，数值模拟结果与试验结果一致。因此，使用计算机数值模拟的方法可以在实际生产中提高材料的利用率，降低生产成本，使研究结果更具实际意义。

本研究重点论述基于光滑粒子流体动力学（SPH）和有限单元法（FEM）耦合的数值模拟分析方法，模拟挤压铸造过程中的流动场、温度场及应力场的变化。SPH法在铸件充型过程流动场和温度场的数值模拟中具有模型易于建立和编程、自适应性好、易于处理复杂几何外形等特点，但是用SPH计算应力比较困难；FEM法通常用于应力、应变分析，且计算精度高、速度快，但求解流体流动问题受网格限制，不能得到更精确的模拟结果。因此，将SPH与FEM耦合可以充分利用这两种数值模拟方法的优势，从而实现效率、资源和功能的优化配置，通过自主编写SPH-FEM耦合分析方法的模拟程序，以期为深入了解铸件成形过程中温度的变化，应力和变形的演变，以及后续缺陷预测提供参考。

图文结果

SPH属于无网格粒子法，而FEM是需要基于网格来离散物理量的，因此，在SPH完成铸件充型过程后，需要将温度场结果通过集中质量的方法与FEM几何模型划分的体网格进行对接，实现温度载荷传输，提高模拟计算的精度和效率，图1为耦合程序的技术路线图。挤压铸造充型过程是带有自由表面的流动问题，这类问题的难点之一就是确定自由表面的位置和形状，考虑自由表面的计算流体力学是充型过程数值模拟的基础。SPH法是基于粒子来进行物理场的传输，不依赖于网格传输，不会产生由于大变形造成网格畸变而缺失数据等问题。所以，对于挤压铸造充型过程，SPH法能够对充型过程中流动场、温度场进行更精确的模拟。

图1 基于SPH-FEM耦合方法进行铸件充型及凝固模拟的技术路线图

为了验证建立的基于SPH-FEM方法的挤压铸造过程数值模拟方法的准确性，采用汽车支架零件来进行模拟验证。零件三维实体见图2，最大轮廓尺寸为155mm×107mm×128mm，铸件材质为ADC12铝合金，其形状较为复杂，属于厚壁件，主要起支撑和连接的作用。该铸件要求内部无气孔，具有较高的耐压强度，在挤压铸造工艺下，考虑到该铸件的生产批量和零件加工工艺性要求，采用一模两件，建立的浇注系统见图3。铸型材质为H13钢，铸件及铸型的热物性能见表1。模具与空气直接接触的部分，传热系数为41.86W/（m2·K），金属液与模具接触时，传热系数采用与温度相关的变量，在固相线温度时的传热系数为3000W/（m2·K），在液相线温度时传热系数为7000W/（m2·K），表2为支架零件的生产工艺参数。

图2 支架三维实体模型图

图3 支架浇注系统三维模型图

表1 材料热物性参数

表2 生产工艺参数

为了提高计算效率铸型形状设置为700mm×225mm×350mm的箱体，在SPH充型模拟中铸件与铸型的总粒子数为485362个，其中边界虚粒子有464722个，金属液实粒子有20640个，其模型见图4。在FEM凝固模拟中，全部划分为六面体网格，单元长度为10mm，划分节点87128个，体网格单元63328个，其模型见图5。

图4 SPH粒子模型剖面图

图5 FEM网格模型三维图

图6 支架零件充型过程模拟结果

使用SPH方法模拟凝固过程所需时间较长，因此选用耦合FEM来模拟计算挤压铸造凝固过程的温度场及应力场变化。将基于SPH方法挤压铸造充型过程模拟完成后的温度场结果作为基于FEM方法凝固过程模拟的初始温度条件进行凝固过程的模拟计算。需要将模型划分有限元网格，其模型尺寸与SPH方法中模型尺寸保持一致，但由于有限元网格单元尺寸与SPH无网格粒子无法实现数据一一对应，因此本研究采用类似区域搜索的方法，以重新划分的有限元单元网格节点为中心，网格单元长度为半径，搜索其网格单元长度范围内的球面所包含的SPH粒子数量，并根据SPH粒子与有限元中心节点的距离进行对应物理量数据信息的加权平均，从而得到有限元节点上的数据信息，完成温度场结果从SPH粒子到FEM网格的传递，保证了数据传输的完整性和准确性。

对于挤压铸造支架零件，图7为基于SPH方法的充型过程完成时对应的温度场结果，图8为基于FEM方法的凝固过程模拟温度场结果。可以看到，使用区域搜索方法可以很好地实现将SPH充型模拟温度场结果到FEM凝固过程初始温度场的传输，其结果也表明温度载荷传输基本符合计算要求。

图7 基于SPH方法充型完成时温度场模拟结果

图8 基于FEM方法凝固过程初始温度场模拟结果

图9 铸件凝固过程温度随时间的变化

图10 铸件特征点位置示意图

在凝固过程初期，可以看到铸件外轮廓及侧面薄壁处a点的冷却速度最快，凝固过程领先于其他部位，这是因为铸件薄壁处有较少的热量以及较大的接触传热面积，在最大截面平板b点，由于工艺中为了减少成本且降低壁厚差异设置了内凹的空腔，与模具凸起直接接触，开始凝固时的冷却速度较大，但在凝固后期，局部模具温度的升高阻碍了传热，从而使此处位置最后凝固；加强筋根部c点及侧壁拐角d点壁厚较大，冷却速率较慢，温度梯度小，凝固时间较长，易出现缩松、缩孔缺陷。在铸件凝固过程中，由于凝固时间不同，铸件各部位的收缩程度不同，会产生各个方向的位移，当位移受到铸件结构或模具的阻碍时，就会导致应力产生。如果应力超过了高温下材料的抗拉强度，就会发生塑性变形甚至开裂，对挤压铸造凝固过程进行有限元数值模拟可以初步判断应力的大小和分布。

图11 铸件特征点温度随时间变化曲线

图12 特征点处的温度及等效应力随时间的变化曲线

图13 铸件凝固过程等效应力随时间的变化图

结论

（1）建立了SPH-FEM耦合的挤压铸造数值模拟方法，通过类似区域搜索方法，完成将SPH充型结束时的温度场模拟结果到FEM凝固开始时的初始温度条件的数据传输。SPH法在流动场模拟上表现优异，而FEM法则具有高精度、可视化和灵活性等特点，将SPH法与FEM法耦合是提高数值模拟精度和可靠性的有效方式。

（2）利用SPH-FEM耦合方法对支架零件的挤压铸造过程进行数值模拟，得到其充型过程的温度场及流动场分布状态，并与商业化软件充型过程模拟结果进行对比分析，表明基于SPH方法的挤压铸造充型过程模拟的准确性和可行性；得到其凝固过程中温度场及应力场的分布情况，并对关键位置进行了分析讨论，在支架侧面薄壁处冷却速度最快，有效应力最大，为后续铸件的变形及裂纹预测提供参考。

本文作者：

葛涛涛 赵展 牛晓峰 王天成 刘朝炫

太原理工大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴