本發(fā)明涉及一種鑄造殘余應力的模擬方法，特別涉及一種針對各向異性材料鑄造殘余應力的數(shù)值模擬方法。

背景技術：

各向異性材料在現(xiàn)代制造工業(yè)中應用日益廣泛，這類材料由于在各微觀方向上的熱物性性能及力學性能不一致，導致該材料在鑄造過程中在各方向上的熱量傳遞及收縮變形均會不一致，從而使鑄件的鑄造應力分布很難確定，例如航空發(fā)動機中單晶渦輪葉片的鑄造殘余應力分布問題是研制高推重比發(fā)動機的一個重要障礙。目前針對鑄造殘余應力的數(shù)值模擬主流軟件是ProCAST，但這種軟件的缺點是材料庫不全，在應力場模擬方面只能針對各向同性材料鑄件進行數(shù)值模擬。

文獻“FE prediction of residual stresses of investment casting in a Bottom Core Vane under equiaxed cooling，Journal of Manufacturing Processes,Vol13(1),January 2011,Pages30–40”給出了一種利用ABAQUS軟件來模擬鑄造殘余應力的新方法。此方法將ProCAST對導向葉片的溫度場編寫成ABAQUS能接受的UTEMP子程序，將該溫度場對導向葉片的每個網格節(jié)點進行逐一加載，進行順序熱力耦合，以求解導向葉片的鑄造殘余應力，所得結果與實際測量吻合度較好。但是該方法并不適用于模擬各向異性材料的鑄造殘余應力，由于每種各向異性材料都有其特殊性，為了準確的表達其特性，一般根據(jù)其特性來編寫用戶材料UMAT子程序，而在ABAQUS中每個仿真文件只能附加一個子程序，因此上述方法不能同時對溫度場UTEMP和材料子程序UMAT進行數(shù)值模擬，具有較大的局限性。此外，上述方法對溫度場編寫成UTEMP子程序過程非常繁瑣，不具備通用批量化處理的能力，也限制了其使用范圍。

綜上所述，現(xiàn)階段針對鑄造殘余應力的方法并不適用于各向異性材料，適用范圍窄。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有鑄造殘余應力的模擬方法適用范圍窄的不足，本發(fā)明提供一種針對各向異性材料鑄造殘余應力的數(shù)值模擬方法。該方法利用ProCAST軟件對鑄件凝固及冷卻過程溫度場進行數(shù)值模擬，并將溫度場轉換成ABAQUS能接受的溫度幅值，在Viewer-CAST中將澆注系統(tǒng)中除爐體外各組件分別以INP文件導出，生成ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件；將經過轉換的溫度幅值復制至生成的ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件中，生成新的INP文件；根據(jù)鑄件材料的特性利用Fortran語言編寫各向異性材料子程序UMAT文件；對于生成新的INP文件，結合子程序UMAT文件，利用ABAQUS Command命令完成對各向異性材料鑄件的殘余應力數(shù)值模擬。該方法結合了ProCAST軟件能較準確模擬鑄件溫度場以及ABAQUS具有豐富材料庫兩種優(yōu)點，利用用戶材料UMAT子程序以及高可靠性的溫度場轉換接口，能夠準確地模擬各向異性材料鑄件在鑄造過程中產生的殘余應力，準確率達到81％以上。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案：一種針對各向異性材料鑄造殘余應力的數(shù)值模擬方法，其特點是包括以下步驟：

步驟一、利用ProCAST軟件對鑄件凝固及冷卻過程溫度場進行數(shù)值模擬，并利用ProCAST軟件的后處理軟件Viewer-CAST將鑄件溫度場導出；

步驟二、在MATLAB操作環(huán)境中，利用編寫好的溫度場轉換接口，將步驟一所得溫度場轉換成ABAQUS能接受的溫度幅值，并利用轉換接口生成鑄件的節(jié)點集及預定義場；

步驟三、在Viewer-CAST中將澆注系統(tǒng)中鑄件、模殼組件分別以INP文件導出，并在ABAQUS中重新裝配，加入邊界條件，修改有限元網格類型，生成ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件；

步驟四、將步驟二所得轉換好的溫度幅值、節(jié)點集及預定義場復制至步驟三所生成的ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件中，生成新的INP文件；

步驟五、根據(jù)鑄件材料的特性利用Fortran語言編寫各向異性材料子程序UMAT文件；

步驟六、對于步驟四生成新的INP文件，結合步驟五所得UMAT子程序，利用ABAQUS Command命令完成對各向異性材料鑄件的殘余應力數(shù)值模擬。

本發(fā)明的有益效果是：該方法利用ProCAST軟件對鑄件凝固及冷卻過程溫度場進行數(shù)值模擬，并將溫度場轉換成ABAQUS能接受的溫度幅值，在Viewer-CAST中將澆注系統(tǒng)中除爐體外各組件分別以INP文件導出，生成ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件；將經過轉換的溫度幅值復制至生成的ABAQUS數(shù)據(jù)文件INP文件中，生成新的INP文件；根據(jù)鑄件材料的特性利用Fortran語言編寫各向異性材料子程序UMAT文件；對于生成新的INP文件，結合子程序UMAT文件，利用ABAQUS Command命令完成對各向異性材料鑄件的殘余應力數(shù)值模擬。該方法結合了ProCAST軟件能較準確模擬鑄件溫度場以及ABAQUS具有豐富材料庫兩種優(yōu)點，利用用戶材料UMAT子程序以及高可靠性的溫度場轉換接口，能夠準確地模擬各向異性材料鑄件在鑄造過程中產生的殘余應力，準確率達到81％以上。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明針對各向異性材料鑄造殘余應力的數(shù)值模擬方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明方法實施例中工字梁模型圖。

圖3是本發(fā)明方法實施例中溫度場轉換主界面圖。

具體實施方式

參照圖1-3。本發(fā)明針對各向異性材料鑄造殘余應力的數(shù)值模擬方法具體步驟如下：

第一步、首先利用三維建模軟件對整個澆注系統(tǒng)進行建模，包括鑄件和型芯等模型；利用Hypermesh軟件對有限元模型進行前處理，采用四面體單元對各組件進行二維網格劃分，對鑄件關鍵部位或是結構突變處的網格進行局部加密處理；在ProCAST前處理軟件MeshCAST中將各部件進行裝配、網格質量檢查、生成模殼及體網格劃分等，在PreCAST中設置鑄件材料熱物性及及力學參數(shù)、換熱系數(shù)及換熱面設置、固定及對稱面設置等邊界條件設置，完成對整個澆注過程進行仿真；在ProCAST后處理軟件Viewer-CAST中將鑄件溫度場以*.ntl格式導出，除爐體外，將鑄件、模殼以及其他組件分別以*.inp格式導出。

第二步、利用ProCAST與ABAQUS溫度場轉換接口對第一步中所導出的溫度場進行轉換，得到ABAQUS溫度幅值，并生成節(jié)點集及預定義場。

第三步、將第一步中所導出的鑄件、模殼以及其他組件的*.inp文件分別導入至ABAQUS中進行重新裝配，設置靜力穩(wěn)態(tài)分析步，除換熱條件外，其余邊界條件設置均與ProCAST保持一致，將得到的CAE文件以*.inp格式導出。

第四步、將第二步中ABAQUS溫度幅值、生成節(jié)點集及預定義場分別復制至第三步所得的*.inp文件的相應位置。

第五步、利用Fortran語言針對鑄件各向異性材料編寫ABAQUS用戶材料UMAT子程序*.for文件，并在Visual-studio中調試成功。

第六步、利用ABAQUS Command命令將第四步得到的*.inp文件與第五步得到的*.for文件聯(lián)合起來對鑄件應力場進行數(shù)值模擬。

應用實施例：

本發(fā)明利用求解工字梁殘余應力作為一個具體實施例，該工字梁材料為各向異性材料DD6，鑄造方式為定向凝固，下面結合該實施例對本發(fā)明細述如下：

第一步、利用UG軟件對工字梁澆注系統(tǒng)進行三維建模，將各組件分別以*.iges格式導出；將上述*.iges文件分別導入Hypermesh軟件中進行前處理，采用四面體單元對各組件進行二維網格劃分，網格基本尺寸為1mm，分別以*.out格式導出所得各部件；將得到的*.out文件分別導入至ProCAST中進行裝配、網格質量檢查、生成模殼及體網格劃分等，整個模型包含38137個節(jié)點，161366個單元；隨后對各組件進行材料賦予，其中鑄件材料為高溫合金DD6，所設熱物性及力學參數(shù)均采用[001]方向性能參數(shù)，模殼、型芯材料為硅砂，冷銅材料為純銅，除鑄件外，其余組件均設為剛體，鑄件與其他組件的界面換熱系數(shù)為2000W/m².K，其余組件之間的界面換熱系數(shù)為500W/m².K；在邊界條件設置中，對模殼、型芯及冷銅進行固定，整個模殼外表面對外熱輻射率為0.85，冷銅初始溫度為20℃，鑄件、模殼和型芯的初始溫度為1550℃，整個澆注系統(tǒng)重力加速度為9.8m/s²，加速度方向為[001]方向；爐體被分為三部分，其中高溫區(qū)溫度為1550℃，輻射率為0.9，中溫區(qū)溫度為900℃，輻射率為0.6，低溫區(qū)溫度為20℃，輻射率為0.5，整個爐體的抽拉速率為0.8cm/min，抽拉方向為[001]方向，隨后即可進行仿真；ProCAST仿真結束后，在Viewer-CAST中將鑄件溫度場以*.ntl格式導出，然后切換至Mesh模式，將鑄件、模殼和型芯分別以*.inp格式導出。

第二步、將第一步得到的*.ntl溫度場在編寫好的溫度場轉換接口中進行格式轉換，生成得到ABAQUS溫度幅值，并生成節(jié)點集及預定義場，其中，分節(jié)點數(shù)去2000，溫度場行數(shù)取38，鑄件總節(jié)點數(shù)為11888，這樣既可生成ABAQUS溫度幅值、節(jié)點集及預定義場的*.txt文件。

第三步、將第一步得到的*.inp文件在ABAQUS里重新進行裝配，在材料屬性模塊中，鑄件材料選擇調用子程序UMAT，模殼、型芯及冷銅材料均按ProCAST中參數(shù)進行設置，設定靜力穩(wěn)態(tài)分析步，除換熱外，其余各類邊界條件均與ProCAST設定一致，其中，各接觸對均采用發(fā)現(xiàn)接觸對的方法進行選定，以*.inp格式導出該澆注系統(tǒng)模型。

第四步、將第二步中生成的ABAQUS溫度幅值、生成節(jié)點集及預定義場三個*.txt文件分別復制至第三步所得的*.inp文件的相應位置，得到residual-stress.inp文件。

第五步、利用Fortran語言針對DD6各向異性材料編寫ABAQUS用戶材料UMAT子程序umat.for文件，并在Visual-studio中調試成功。

第六步、利用ABAQUS Command命令將第四步得到的residual-stress.inp文件與第五步得到的umat.for文件聯(lián)合起來，利用abaqus job＝residual-stress user＝umat.for命令對鑄件應力場進行數(shù)值模擬。

結果表明，工字梁在冷卻降溫過程中收縮時由于受到型芯的阻礙，工字梁中間部位產生較大殘余應力，而遠離工字梁部位應力值相對較小，此外，四個尖角處的應力由于受到結構的影響，應力值最大，符合鑄造過程中殘余應力分布規(guī)律。

總之，本發(fā)明將用戶材料UMAT子程序和高可靠性的溫度場轉換接口結合起來，解決了傳統(tǒng)方法不能對各向異性材料鑄造殘余應力數(shù)值模擬的問題，并且能針對各種不同鑄造方式來對鑄件殘余應力進行數(shù)值模擬，經與測量值對比發(fā)現(xiàn)，本方法模擬準確率高達81％以上，且適用范圍廣。