POLIGONSOFT有限元铸造模拟软件

POLIGONSOFT基础模块可以模拟大部分铸造工艺，具备如下功能：

1．网格划分模块，用于对求解区域即模型CAD进行网格划分，具体实现2D/3D网格自动划分，从网格种类上，可实现结构及非结构网格划分。

2．前处理模块，用于工艺参数、界面及边界条件设置及与仿真过程控制相关的模拟参数设置。

3．后处理模块，主要进行结果分析，可以进行云图、曲线、切片显示等结果分析功能，同时还可以很方便得进行图片、动画的生成。

4．流场求解器，计算流场的速度、压力、湍流、自由液面、氧化夹渣、充型时间裹气、气孔等。

5．温度场求解器，铸造充型、凝固过程中温度变化情况。

POLIGONSOFT应力求解器旨在计算铸件在冷却和与铸型相互作用过程中产生的残余应力和应变。充型、凝固、应力全耦合算法可以预测裂纹的形成并指出潜在风险区域。

有限元FEM算法的可靠性和稳定性使求解器可用于模拟热处理过程(在各种介质中淬火、正火、退火、回火等),以确定铸件和铸型中的残余应力、变形、翘曲和潜在风险。

计算基于A.Ilyushin创建的小弹塑性变形理论和牛顿方法。该模块可以计算:

▇残余应力的大小和分布

▇应变的大小和分布

▇铸件的整体翘曲和沿坐标轴的翘曲

▇潜在冷裂纹和热裂纹形成的位置

大型铸件凝固过程中变形情况↑

铸件尺寸: 8700х2000х2080 mm
平均壁厚: 30 mm
模型包含: 677,700个节点和3,170,621个单元

热裂纹指示器↑

模拟与实际铸件的对比

冷裂纹预测↑

模拟与实际铸件的对比

POLIGONSOFT可以解决辐射热交换的复杂任务，同时考虑到再辐射和阴影。

这不仅对于真空铸造很重要，而且对于使用熔模铸造技术在不使用支撑填充材料的情况下在“组树”上的铸件也很重要。

铸件在组树上的放置,铸件在浇注和冷却过程中相对于彼此的位置,可以显著影响铸件在组树上的位置，即铸件和冷却过程中铸件相对于彼此的位置，会显著影响孔隙率模式。

在真空铸造中,需要准确考虑能量被物体反射和吸收的效应。"辐射"模块可以求解复杂的辐射换热问题,考虑再辐射和阴影的影响。

POLIGONSOFT可以模拟与真空铸造相关的所有过程,获得能够预测和防止缺陷发生的结果。

· 宏观和微观疏松

· 残余应力

· 变形和翘曲

· 裂纹(热裂纹和冷裂纹)

· 定向凝固、单晶

· 辐射

辐射模拟↑

模拟燃气轮机发动机复杂和关键部件的铸造工艺和实际铸件缺陷对比↑

叶片模拟结果↑

定向凝固

通过使用液态金属冷却剂在耐热镍基合金样品块中模拟定向凝固过程，展示了POLIGONSOFT软件的强大功能。

液态金属从炉子的热区移至含液态金属冷却剂的冷区。

通过改变冷却速率，可以实现所需的宏观结构。

模具加热↓

热量通过加热器和含液态铝液熔池的辐射传递给模具。

当模具表面温度上升时，铝液开始起到冷却剂的作用。

由于这个因素，模具将不会达到均匀的温度；因此，在浇注前需要获得温度分布

模具填充↓

模具填充非常快，大约在3秒内完成。

尽管浇注所需时间很短，但熔融金属在与较冷的晶种接触时温度显著下降，差异约为200度。

该计算可以获得填充结束时熔融金属的温度场。

模具冷却计算↓

热计算最复杂的阶段是将填充好的模具放入含液态铝液的熔池中，因为整个计算过程中条件持续变化。

移动模具、加热器、液态金属冷却剂和炉壁之间的辐射热交换条件发生变化。

POLIGONSOFT自动解决这一任务，无需用户进行额外操作。

最终宏观结构的计算↓

在最后阶段，我们使用宏观结构模块根据获得的温度场和合金的物理特性来计算铸件的最终宏观结构。

可以考虑更改铸件的设计，因为它未能在浇注前为模具提供均匀的加热，也未能在样品截面中均匀分布两相区，这反过来影响其结构。

叶轮熔模铸造工艺模拟&优化↑

模块说明

宏观结构求解器可用于对金属合金的宏观结构的形成进行模拟，这些金属合金在固态下具有体心立方或面心立方晶格。

模具表面和熔融金属体积上晶粒的非均相成核模型

· 柱状晶到等轴晶转换

· 晶粒生长

· 单晶零件中杂散晶体的预测

· 定向凝固

· 单晶铸造

生长和形核模型

方法基于A.B.Belankov和V.Yu的研究“元胞自动机在结晶过程中模拟材料微观结构的应用”。斯托尔博夫。

结果验证

使用文献和实验验证中的数据对求解器进行验证。

宏观结构分析

为MMP“Salyut”公司研究ST-20动力涡轮机第三级工作叶片的宏观结构。

该专用模块模拟结构钢和低合金钢在经过热处理后的结构和机械性能：淬火、正火、退火。

▇新产品热处理工艺开发

▇批量生产质量的验证

▇确定产品不符合技术文件要求的原因

▇在不进行测试的情况下对产品进行认证

分析的结果是，得到了以下内容：

▇结构（马氏体、贝氏体、铁素体-珠光体混合物）

▇维氏硬度

▇屈服强度

▇抗拉强度

▇相对伸长率

热处理模型

该模型可以预测热处理后的金属特性。

模拟：

▇淬火

▇正火

▇退火

▇回火

结果：

▇结构（马氏体、贝氏体、铁素体-珠光体混合物）

▇维氏硬度

▇屈服强度

▇抗拉强度

▇相对伸长率

40Х钢轴的热处理

为了解生产商进行热处理后轴断裂的原因而进行的一项研究。

POLIGONSOFT模拟计算连续铸造工艺。

它模拟了金属液在结晶器中冷却、在结晶器下方的冷却介质中以及在空气中冷却的启动前保持和牵引条件。

该模块可以研究各种技术参数对铸件质量的影响以及缺陷零件的发生。

连铸模块允许设置结晶器的任何几何形状和铸锭在连铸机中的运动轨迹，同时考虑到与牵引、导向机构等所有元件的热和力相互作用。

▇温度场和相场

▇板坯凝固

▇宏观孔隙率和微观孔隙率

▇残余应力

▇裂纹（热裂纹和冷裂纹）

▇弹性变形

▇塑性变形

▇金属结构

POLIGONSOFT可以调查各种技术参数对零件质量的影响，确定这些参数的变化与缺陷零件发生之间的关系。

总体概念

该数学模型是与大量大型钢材生产商合作开发的。它基于热求解器和应力求解器，为此设计了一种新颖且独特的求解方案。

在创建连续铸造模型时，我们考虑了解决此问题的其它方法的优点和缺点。因此，与类似的解决方案相比，我们的解决方案可以对连铸过程进行更完整的模拟。

我们提供的服务：

▇对任何截面（矩形、圆形、H型等）的产品的连铸过程进行模拟。

▇能够定义板坯移动的任何轨迹。

▇用户友好且易于操作的界面。

▇全耦合计算应力的能力。

半连续铸造分析

需要对典型的铸造状态进行分析，以找到既定状态下的温度分布，预测铸锭的完整性，并检查残余应力的特性。

▇合金：D19ch牌铝合金

▇铸锭截面：1671x492，桶形，高6700mm

▇结晶器高度：115 mm

▇金属温度（在混合器中）：710℃

▇结晶器：6061-T6牌铝合金

▇冷却水温度：25℃

▇环境温度：20℃

▇结晶器中的金属液位：距顶部55mm

▇水冷区：结晶器下边缘下方30mm，延伸270mm

▇冷却区的底部由排水系统包围，排水系统将水完全去除低于其水平的水。

铸造速度为50 mm/分钟 时的温度场计算结果↓

稳态状态的特性（50 mm/分钟）

在铸造中达到稳定的热状态意味着金属的结构特性和性能在整个铸锭体积内的稳定性。在这种情况下，最重要的因素是液态金属腔的温度和尺寸的稳定性。

应力-应变状态分析

通过半连续铸造方法分析铸锭制造可以包括计算应力-应变状态，以预测应力场、变形、位移、热裂纹形成趋势等。

宏观孔隙率和微观孔隙率

POLIGONSOFT中的宏观和微观孔隙模型可以预测缺陷的形成，这些缺陷既与熔融金属液位上方区域的浇不足有关，也与熔融金属渗入树枝状框架的过程有关。在半连续铸造任务的应用中，当滑动触头接触通用传热模型的功能时，可以进行此类分析。

▇计算结果表明，在轴向区域形成微孔率高达0.5%的趋势，这是由宽范围合金的特定凝固特性和存在的散热条件引起的。

▇铸锭结构和适度的铸造速度确保了凝固的明确方向性，从而防止了熔融金属的孤立液相区和破裂区域的形成，从而避免了大缩孔的形成。

▇通过模拟可以进一步分析控制微观孔隙率水平和降低两相区振幅的措施。

连铸分析

为“Severstal”公司进行的一项研究旨在将模拟获得的结果与连铸机的实际结果进行比较。

POLIGONSOFT用于分析离心铸造中模具填充和收缩孔隙率的特定模型。

用户指定模具旋转的轴、方向和速度。

结合模拟熔模铸造的能力，是生产钛合金铸件不可缺少的工具。

离心铸造法的主要特点是，模具中金属液的填充和铸件的凝固发生在离心力的作用场中，离心力比重力大许多倍。

POLIGONSOFT包括用于评估模具填充过程和通过离心铸造创建零件时收缩孔隙率形成的模型。用户能够定义变量，例如铸造中使用的模具的旋转轴、方向和旋转速度。

▇充填动画

▇填充缺陷

▇宏观孔隙率和微观孔隙率

▇残余应力

▇具有自由液面的铸造

▇双金属合金

离心铸造↑

叶轮离心铸造

某大学对仿真结果进行验证研究

不锈钢：20х13l

模具温度：200°C

浇注温度：1590°C

转速：900 rpm

填充时间：≈6秒

模拟和现场实验表明，POLIGONSOFT模拟离心铸造过程的高精确性。

此外，通过对铸件的应力-应变状态和孔隙率进行模拟和分析，可以扩展评估指标。

一套全面的分析结果允许识别模式，以有针对性地优化离心铸造工艺参数，以防止缺陷。

双金属辊子的离心铸造

POLIGONSOFT可用于模拟离心铸造过程，用于制造多层金属辊子。

左侧-型芯铸造完成60秒后对中间层进行重熔。

右侧-型芯铸造后2500秒，中间层内表面再次达到固相线温度的时刻。

珠宝的离心铸造

在珠宝行业中，离心铸造通常用于铸造小型和复杂的零件。

在多层块中模拟铸造过程，以获得珠宝预制件

据观察，收缩缺陷集中在浇口中，而环形预制件本身没有显示收缩缺陷，尽管铸件本身及其各个部件的配置都很复杂。

POLIGONSOFT判据模块用于所获得结果的标准分析模块。

可以计算和分析组织、硬度、熔渣、模具磨损、冷却速率等性能和参数。

该模块包括广泛的集成功能，允许用户创建适合其生产特定需求的自定义分析标准，例如幂、对数、三角函数、梯度、变化率、搜索最小值和最大值等。