abaqus鑄鐵分析的案例
鑄鐵拉伸試驗ABAQUS模擬
鑄鐵拉伸試驗ABAQUS模擬
MAGMA鑄鐵模擬分析案例
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高牌號球墨鑄鐵前蓋鑄造缺陷分析及工藝優化
球墨鑄鐵前蓋材質為QT700-2，采用濕型砂工藝生產。由于濕型砂砂型硬度不及鐵型覆砂工藝，因此鑄件在凝固過程中不能完全實現球墨鑄鐵的自補縮，需要采取相應的防縮措施。在前期的生產中，我廠采用冷鐵工藝來解決鑄件內部的縮松問題。但在批量生產中發現，冷鐵工藝不僅成本高，而且質量不穩定，氣孔和縮孔廢品比例較高。對原始工藝進行了改進，徹底解決了前蓋內部縮松問題，保證產品穩定生產。
1 初始鑄造工藝設計
前蓋材質為QT700-2，基本壁厚9 mm，底部法蘭盤壁厚40 mm，頂部壁厚23 mm，有四個獨立的搭子，壁厚不均勻（圖1）。分型面按常規設計選在接近中部的法蘭面位置，鑄件小端置于上箱，大法蘭及砂芯芯頭置于下箱（圖2），內澆道從大法蘭面進入型腔，內腔采用手工自硬砂整體砂芯。
圖1 前蓋結構
圖2 前蓋初始工藝
根據前蓋的結構特點，外圓法蘭盤直徑約450 mm，平均壁厚40 mm，存在厚大的環形熱節，因此工藝設計采用冒口加外冷鐵相結合的方式消除該位置熱節。兩個側冒口設計為60 mm×80 mm×70 mm的壓邊冒口，同時在砂芯內設置六塊外冷鐵進行激冷，消除法蘭環位置熱節，使整個法蘭環實現順序凝固。頂部法蘭熱節集中在四個獨立的搭子處，設計采用放置內冷鐵解決縮松問題，前蓋模具如圖3所示。
圖3 前蓋模具
在試制階段，產品解剖后內部沒有縮松缺陷，獲得顧客認可。但在批量生產階段，產品質量出現很大波動：①質量不穩定。產品集中出現了頂部冷鐵處縮孔（圖4）、氣孔、冷鐵偏斜等廢品，綜合廢品率高達15%。經解剖發現，頂部四個獨立的搭子位置，雖然下了內冷鐵，但總有一定比例的產品在冷鐵位置仍會存在縮松；此外，內冷鐵位置的氣孔也比較集中。②生產效率低。
展開 實驗全程記錄：分析球墨鑄鐵的3種熔煉澆注方案
我國生產的大型球墨鑄鐵件一般選用呋喃樹脂砂作為造型材料，單件生產，澆注重量大，結構較復雜，對鑄件質量性能要求很高，往往熔煉過程中出現的一些鑄造缺陷特別是縮松缺陷會導致鑄件報廢，造成重大的經濟損失，特別是 QT400-18AR 材料，強度高，延伸率高，還有沖擊值要求。這類厚大件在保證產品力學性能的同時，還要避免出現石墨漂浮和縮松類缺陷，實屬不易。
通過設計小樣實驗，采用埃肯公司分析設備，研究化學成分、澆注溫度對壁厚為 180mm 的實體小樣產生石墨漂浮、縮松等缺陷的影響。進而應用于生產球墨鑄鐵厚壁件，獲得良好品質的鑄件。
設備、材料準備
自用高純生鐵，純凈低錳廢鋼，高鎂球化劑，75#FeSi 孕育劑；埃肯低鎂球化劑，孕育劑；1.5 噸中頻熔煉爐，500kg 球化包，500kg 中間包。埃肯 EPIC 熱分析儀，碳硫分析儀，光譜儀。
設計實體小樣木模
尺寸 600mm×400mm×180mm，進行工藝試制。使用 180mm 壁厚，覆蓋公司日常生產的厚大件球墨鑄鐵產品，具有相當的代表性，設置冒口和澆道系統，采用底注澆注，澆注重量 500kg。
熔煉澆注方案設計
采用 1.5t 熔煉中頻爐，熔化 1.5t 鐵水，每次球化孕育 500kg，澆注 1 箱小樣試驗件。1 爐共澆注 3 箱試驗件。
展開 
基于MARC的鑄鐵散熱片熱機耦合分析
大多數采用鑄鐵材料作為機殼的電機散熱途徑是熱傳遞和對流換熱，其過程是定子鐵心通過熱傳遞的方式將熱傳遞給機殼，然后在機殼表面及散熱片的作用下通過對流換熱的方式將機殼的熱散發于空氣中。一般鑄鐵機殼上沿軸向設有散熱片，如圖2；也有采用環形散熱片的。
從鑄造工藝性的角度來說，我們希望鑄鐵機殼散熱片排列的越稀、越矮、越厚，但是從散熱角度來說，要求其排列密一些、高一些、薄一些。由于模具限制，我們很難更改設計完成的機殼，因此，在這之前的設計計算很重要。有限元技術應用發展之前，對于鑄鐵機殼的散熱分析研究主要依靠樣機試驗和經驗來確定，這帶來了很大的不準確性和資源浪費。有限元技術的出現，使得精確分析散熱工況成為可能。下面介紹用帶有較強熱分析功能的有限元分析軟件MARC對鑄鐵機殼進行散熱分析的方法。
在研究電機散熱問題時，我們關心的是電機在達到熱穩定狀態時的溫度。從圖1的曲線我們可以看出，當電機達到穩定狀態時電機產生的熱量最大，散發于周圍介質的熱量最多。在分析鑄鐵機殼散熱片溫度分布問題時，我們取電機達到熱穩定時散熱片上的溫度分布情況即可，此時通過散熱片的熱流最多，散熱片的散熱作用發揮到最大。
MARC穩態傳熱問題要求分析的系統靜熱流率為零，即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于系統流出的熱量。在穩態熱分析過程中，系統中任一節點溫度不隨時間變化，其能量平衡方程為
{K}{T}={Q}
式中，{K}為傳導矩陣，包含傳熱系數、對流系數及輻射率和形狀函數；{T}為節點溫度向量，包含熱生成的過程。
展開 實例數據分析：球墨鑄鐵處理內應力的工藝方法
球墨鑄鐵和其他材料鑄件一樣，在成形過程中，因鑄件不同部位冷速差異以及相變體積變化等原因使鑄件內部產生應力。此外，采用拋丸方法清理鑄件，以及鑄件機械加工時馬具的切削力和零件加緊力也會使鑄件產生附加內應力。球墨鑄鐵件在生產過程中產生內應力是不可避免的。鑄件的內應力在無約束的環境中會逐漸釋放。釋放時會使鑄件尺寸和形狀發生變化。而在有約束條件下（例如用螺絲釘或其他方式把鑄件固定），將會在鑄件內產生新的內應力導致球墨鑄鐵件內應力水平提高，甚至使鑄件受到損傷。鑄件使用前進行消減內應力處理，可顯著降低殘余內應力水平。
消減鑄件內應力可以采用時效處理。按照處理方式不同，有自然時效處理、震動時效處理或消減內應力退火處理。自然時效處理需把鑄件露天放置，歷經寒暑，使鑄件內應緩慢釋放。這種處理方法耗時較長，但是內應力消減比較徹底。機床導軌一類加工后需要長期保持精密尺寸的鑄件常采用這種時效處理方法。
震動時效是一種機械式消減內應方法。處理時把激振塊固定于鑄件，調整振動源使激振塊產生與鑄件頻率相同的震動頻率，從而產生共振。鑄件金屬晶格不斷吸收振動能量，并通過矯正晶格畸變等方式使鑄件內應力釋放出來。振動時效處理所需的時間遠少于自然時效處理，一般只需要幾十分鐘。能耗較少，應力消減迅速。
當前許多工廠采用熱處理消減球墨鑄鐵件內應力。處理規范如下：鑄件裝入溫度不超過200攝氏度的熱處理爐后，以100攝氏度每小時速度加熱到560—580攝氏度，開始進行保溫。保溫過程促使鑄件由彈性狀態改變為塑性狀態。使鑄件內部應力自由釋放，達到消減內應力目的。合理的保溫時間需視鑄件厚度及復雜程度而定，一般為3—6小時。圖8—3顯示加熱溫度和保溫時間對消減殘余內應力效果的影響。600攝氏度保溫雖可消除85%--90%殘余內應力，但會使部分共析滲碳體分解或球化。
展開 鑄鐵件性能差異原因分析，看看碳化硅是如何提升鑄件質量的
薄壁灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵件，厚壁的球墨鑄鐵件以及奧貝球墨鑄鐵件的應用，對鑄鐵冶金質量提出更高的要求。碳化硅的孕育預處理對改善鑄鐵的冶金質量有良好的作用。鑄造專家李傳栻撰文指出：預處理劑加入鐵液后，可以觀察到兩種作用：一是碳當量提高；二是鐵液的冶金條件改變，加強了還原性。1978年，英國的B.C.Godsell曾發表其對球墨鑄鐵進行預處理的研究結果，此后，對預處理工藝的試驗研究一直沒有間斷，現在這項工藝已比較成熟。對于灰鑄鐵，碳化硅孕育預處理可以降低過冷度減少白口傾向；增加石墨核心，促進形成A型石墨，減少或防止產生B型、E型和D型石墨，增加共晶團數，得到細小的片狀石墨；對于球墨鑄鐵，碳化硅孕育預處理則促進增加鑄鐵的石墨球數，提高球化率，改善石墨球的圓整度。碳化硅的使用可以加強對氧化鐵的脫氧還原作用，使鑄鐵組織致密從而增加切削面的光潔，使用碳化硅可以延長爐壁壽命，不會增加鐵液的鋁、硫含量。
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展開 實驗全程記錄：分析球墨鑄鐵的3種熔煉澆注方案
我國生產的大型球墨鑄鐵件一般選用呋喃樹脂砂作為造型材料，單件生產，澆注重量大，結構較復雜，對鑄件質量性能要求很高，往往熔煉過程中出現的一些鑄造缺陷特別是縮松缺陷會導致鑄件報廢，造成重大的經濟損失，特別是 QT400-18AR 材料，強度高，延伸率高，還有沖擊值要求。這類厚大件在保證產品力學性能的同時，還要避免出現石墨漂浮和縮松類缺陷，實屬不易。
通過設計小樣實驗，采用埃肯公司分析設備，研究化學成分、澆注溫度對壁厚為 180mm 的實體小樣產生石墨漂浮、縮松等缺陷的影響。進而應用于生產球墨鑄鐵厚壁件，獲得良好品質的鑄件。
設備、材料準備
自用高純生鐵，純凈低錳廢鋼，高鎂球化劑，75#FeSi 孕育劑；埃肯低鎂球化劑，孕育劑；1.5 噸中頻熔煉爐，500kg 球化包，500kg 中間包。埃肯 EPIC 熱分析儀，碳硫分析儀，光譜儀。
設計實體小樣木模
尺寸 600mm×400mm×180mm，進行工藝試制。使用 180mm 壁厚，覆蓋公司日常生產的厚大件球墨鑄鐵產品，具有相當的代表性，設置冒口和澆道系統，采用底注澆注，澆注重量 500kg。
熔煉澆注方案設計
采用 1.5t 熔煉中頻爐，熔化 1.5t 鐵水，每次球化孕育 500kg，澆注 1 箱小樣試驗件。1 爐共澆注 3 箱試驗件。
展開 廢鋼生產合成鑄鐵的幾大要點分析，感應電爐熔煉配料、元素影響、及碳化硅的使用！
由于微量的鉛即引起石墨形態的變異，使其對基體的割裂作用增強，因而強烈地降低灰鑄鐵的力學性能。
筆者公司通過多年對鉛的研究得出，當以生鐵為主配料時，鉛的含量上限為0.0008%；生產合成鑄鐵時，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會變異，從而造成缸體的力學性能低，從而引起材質不合格的廢品。
（2）砷的影響
砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導致鑄鐵力學性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產的質量控制變得困難。
筆者公司原設定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產合成鑄鐵過程中出現砷含量最高達到0.0116%的情況，為驗證砷含量對灰鑄鐵缸體缸蓋力學性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進行了力學性能檢測，檢測結果見表1、表2.
東風康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學性能和金相組織都完全滿足東風康明斯的要求。
同時，我們對砷含量在0.012%-0.013%時澆注的496件缸體鑄件進行了氣密性檢測，出現2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現異常升高。說明As在這個范圍內，不會增加鑄件的滲漏廢品。
福州大學的李樹江通過試驗驗證，當砷含量低于0.0130%時，灰鑄鐵具有較好的力學性能和冶金質量指標。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。
展開 廢鋼生產合成鑄鐵要點分析：感應電爐熔煉配料、元素影響及碳化硅的使用
由于微量的鉛即引起石墨形態的變異，使其對基體的割裂作用增強，因而強烈地降低灰鑄鐵的力學性能。
筆者公司通過多年對鉛的研究得出，當以生鐵為主配料時，鉛的含量上限為0.0008%；生產合成鑄鐵時，鉛的含量上限0.0015%，否則缸體的軸承座處的石墨就會變異，從而造成缸體的力學性能低，從而引起材質不合格的廢品。
（2）砷的影響
砷在鑄鐵中是一種微量有害元素。影響鑄鐵的顯微組織，比如：促進灰鑄鐵形成D型石墨，使基體變成珠光體，改變灰鑄鐵的白口傾向等，導致鑄鐵力學性能降低。此外，含砷鑄鐵還容易產生縮孔、縮松、裂紋、偏析以及夾渣等鑄造缺陷，使鑄造生產的質量控制變得困難。
筆者公司原設定的砷含量為0.0080%，在采用增碳劑+廢鋼生產合成鑄鐵過程中出現砷含量最高達到0.0116%的情況，為驗證砷含量對灰鑄鐵缸體缸蓋力學性能的影響，我們將砷含量超出0.0080%的鑄件進行了力學性能檢測，檢測結果見表1、表2.
東風康明斯要求缸體缸蓋的本體性能≥207MPa，試驗砷含量在0.0081%-0.0116%之間的鑄件力學性能和金相組織都完全滿足東風康明斯的要求。
同時，我們對砷含量在0.012%-0.013%時澆注的496件缸體鑄件進行了氣密性檢測，出現2件滲漏，滲漏率為0.4%，滲漏率未出現異常升高。說明As在這個范圍內，不會增加鑄件的滲漏廢品。
福州大學的李樹江通過試驗驗證，當砷含量低于0.0130%時，灰鑄鐵具有較好的力學性能和冶金質量指標。目前，筆者公司將砷的含量控制在0.0130%以下。
展開 球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征分析及防止措施
苯磺酸硬化呋喃樹脂砂因其生產鑄件尺寸精度高及生產效率高等優點而廣泛應用于球墨鑄鐵件的生產，但使用苯磺酸硬化呋喃樹脂砂生產球鐵件表面的球化衰退一直困擾著球鐵件的生產廠家，大批科研人員一直致力于球鐵件表面球化衰退的研究，對球鐵件表面球化衰退的原因及機理等研究較多，而對球墨鑄鐵件表面球化衰退的防止措施報道較少。很多文獻認為球鐵件表面微觀組織球化衰退成片狀石墨或蠕蟲狀石墨主要是由于苯磺酸受熱氣化進入熔融金屬表面消耗表面層內殘留有效Mg引起的，但均沒有明確說明Mg的存在形式，有待于深入研究。本文的目的是對苯磺酸硬化呋喃樹脂砂生產的球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施進行研究，并對球墨鑄鐵件表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結構進行了分析，給出切實可行的表面球化衰退的防止措施。
1、試樣方法
選用車間生產橋殼及減速器殼球鐵鑄件用牌號QT450-10，其化學成分(質量分數)為：3.7%-3.9%C、2.6%-2.9%Si、0.2-0.35%Mn、0.1-0.2%Cu、≤0.06%P、≤0.02%S、0.04%-0.06%Mg、0.025%-0.04%RE。試驗合金用中頻感應電爐熔煉，出爐溫度為1480-1520℃，澆注溫度為1360-1420℃。
呋喃樹脂砂的粘結劑用呋喃樹脂，固化劑用對甲苯磺酸，原砂及再生砂采用不同比例。
展開 
實例分析：熔煉合成鑄鐵石墨增碳劑如何顯著提高鑄企效益？
7 合成鑄鐵的熔煉中 C、Si、Mn 的控制
由于合成鑄鐵配料，爐料中帶入的S、P極低，合成鑄鐵熔煉質量控制的關鍵是C、Si、Mn的控制，傳統熔煉C主要依靠配料來保證，但合成鑄鐵的熔煉由于C受增碳劑的類型、粒度、加入方法、以及增C過程溫度的影響，C吸收率變化大，因此，C必須依靠配料、嚴格的熔煉工藝及爐前快速檢測來調整，爐前快速檢測主要以快速熱分析儀和直讀光譜儀。對于酸性爐，合成鑄鐵的熔煉Si較為穩定，依靠配料控制，但合成鑄鐵液在1580℃以上于酸性爐內停滯時間太長，回出現C快速下降，Si快速大幅增高。合成鑄鐵的Mn通過調Mn造渣輔料的加入量來控制。
8 合成鑄鐵的生產應用實例
8.1 采用電爐合成鑄鐵工藝生產高韌性球鐵
風電球鐵鑄件國內大多采用樹脂砂造型制芯，中頻電爐或電弧爐熔煉工藝鑄造。在中頻爐熔煉下利用工業碳素廢鐵熔煉合成鑄鐵的工藝。經陜西、廣東、浙江、山東、遼寧等鑄造廠生產球鐵5萬t以上應用證明，應用合成鑄鐵生產技術在不增加鑄造企業設備投入，不增加人力投資情況下，降低高韌性球鐵直接生產成本約1000元/t左右（采用合成工藝熔煉 1t 鐵液節約成本：5.948 – 4.896 = 1.052 元）。對于1個年生產球鐵2萬t鑄造廠1年降低生產成本約2000萬元，同時廢品率降低可降成本約400萬元左右。
展開 Abaqus 非線性屈曲分析方法 附ABAQUS分析手冊分析卷下載
當然，對于方筒這類實際上是通過顯示方法實現的，更準確的講是動力屈曲分析，所以我們還得判斷動能、塑形耗散等能量參數，才能使結果更加準確。
下載地址：ABAQUS分析手冊分析卷
基于Abaqus的建筑結構隔震分析 附ABAQUS建筑結構分析應用下載
本文通過時程分析的方法，考察隔震結構在大震作用下的性能，結果顯示，在大震作用下，結構的整體響應，無論是位移角還是結構的剪力，與小震結果都有明顯差異，隔震支座對結構性能的改善，主要體現在結構的上部，對結構的中下部則較小，且不再滿足規范中對剪力降低50%的要求。另一方面，非線性的影響會對結構的計算結果起到放大作用，使微小差異的結構方案在大震作用中表現出明顯不同的抗震性能。
下載地址 ：ABAQUS建筑結構分析應用
Abaqus超彈性材料分析 附Abaqus 分析用戶手冊材料卷下載
三、后處理
1、位移云圖
圖8 位移云圖
2、應力云圖
圖9 接觸定義
下載地址：Abaqus 分析用戶手冊材料卷
