原标题：新模拟方法！压铸AM60B镁合金支架缺陷研究

压力铸造是将液态或半液态金属在高压作用下，以较高的速度充填进入型腔，使其在压力作用下凝固成形。镁合金具有优良的压铸性能，通过压铸制成的镁合金产品往往具有较高的尺寸精度。但由于压铸过程中金属液是在高速、高压下迅速充型和凝固，在铸件内部不可避免会产生缺陷，如缩孔、缩松、气孔，导致力学性能不高，不能满足受力大的要求等。因此在产品设计阶段，采用数值模拟对铸件缺陷进行预测，从而提高产品品质，减少资源浪费具有实际意义。

近30年以来，随着计算机的高速发展，数值模拟越来越被人们重视。MONAGHAN J J首次尝试将SPH用于解决自由表面流动问题。研究者们应用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。针对导叶铸件在凝固过程中易产生缩孔、缩松问题，利用MAGMA软件对导叶铸件凝固过程的温度场进行了数值模拟分析，预测了易出现缩孔、缩松缺陷的位置，通过建立顺序凝固时所需要的温度场，得到了合理的铸造工艺。针对铸造凝固过程中的缩孔缺陷问题建立其SPH方法预测模型，将达到形成缩孔条件的粒子转化为虚粒子，虚粒子模型不再参与热量传递计算，建立了SPH方法缩孔缺陷模型，并将计算结果与试验进行了比对。等基于SPH方法建立了冷隔缺陷预测模型，进行数值模拟计算，并与试验结果进行了比对。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对FDM/FEM模型进行了验证，数值模拟结果与试验结果一致。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了预测，确定了缩孔率最低的工艺参数。但有关应用SPH方法进行缩松缺陷预测的报道很少。

本研究将对某厂生产的AM60B镁合金支架进行数值模拟计算，采用光滑粒子流体动力学法（SPH）和有限元法（FEM）耦合的方式对该支架进行缩松缺陷预测。由于SPH法在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，故采用SPH法对压铸过程的流场、温度场和凝固场进行模拟，并在SPH法程序中加入Niyama判据对铸件凝固结束后进行缩松预测，同时与ProCAST软件预测结果进行对比验证，以证明在SPH方法下预测缩松结果的准确性。FEM法通常用于压力铸造过程应力应变分析，且计算精度高、速度快，故采用FEM法对铸件进行应力场计算，对出现缩松部位的预测提供依据，旨在为相关零件的生产提供参考。

图文结果

（SPH-FEM耦合方法与缩松模型构建公式请查看原文）

该支架铸件属于中等复杂程度的结构件，主要起支撑和连接作用，其三维实体模型图和基本浇注系统见图1。铸件的轮廓尺寸为108 mm×206 mm×586 mm，材质为AM60B镁合金，其成分见表1，铸型材质为H13钢，其成分见表2。铸件和铸型的热物性参数见表3。
在SPH程序中铸件与铸型的总粒子数为2 161 788个，其中边界虚粒子有2 000 916个，金属液实粒子有160 872个。为提高计算效率，在FEM程序中，网格划分总数为410 834个，节点数量为426 904个。在ProCAST软件中，模具网格尺寸为10 mm，网格数量为581 212个，铸件网格尺寸为2 mm，网格数量为188 192个。

图1 支架三维实体模型及浇注系统

表1 AM60B合金的主要化学成分(%)

表2 H13的主要化学成分(%)

表3 材料热物性参数

支架工艺参数设置采用某厂提供的工艺参数，见表4。对于界面传热条件的设置，由于铸件与模具均为金属材料且两者为一致性界面，传热系数选为2 000 W/（m2·K）；对于模具与空气直接接触的部分，传热系数采用41.86 W/（m2·K）。设置重力加速度为9.8 m/s2，重力方向为z轴负方向，冲头压射方向为x轴正方向。

用SPH方法模拟支架零件压力铸造充型过程，压室中的冲头沿x轴正方向移动，使横浇道中熔融金属液充满型腔，铸件充型完成所需时间为0.030 7 s。图2为充型过程中不同时间节点的支架充型状态图，图中左侧为SPH模拟结果，右侧为ProCAST软件模拟结果。可以看到，SPH充型过程模拟结果与ProCAST模拟结果基本一致。因此，通过与ProCAST充型过程的模拟结果进行比较，发现SPH充型过程流动场及温度场模拟结果基本与其一致，表明SPH方法可以很好地模拟液态金属在型腔中的流动状态。

表4 生产工艺参数

图2 支架零件充型过程模拟结果（左侧为SPH模拟结果，右侧为ProCAST模拟结果）

缩松是铸件在最后凝固区域没有得到金属液的补缩而形成细小而分散的小孔，并且缩松的分散面积比缩孔更大，往往存在于铸件内部。图3为SPH程序模拟该支架的ZY剖面和XY剖面缩松结果图，其中在SPH程序中为了将出现缩松的实粒子显示更加明显，在程序中加入判断语句，即当实粒子的Niyama判据值≥0.5 ℃0.5∙s0.5/mm时，判据值统一设定为0.5 ℃0.5∙s0.5/mm。图4为ProCAST软件模拟计算结果沿中线的ZY剖面图。对比图3和图4可以看出二者在关键位置预测产生缩松的情况几乎一致，均出现在支架的较厚中心以及一些紧靠较薄模具的边缘，可见SPH结合Niyama判据预测缩松结果的准确性。

图3 SPH缩松结果ZY剖面图和XY剖面图

图4 ProCAST缩松结果ZY剖面图

为了实现SPH方法建立的充型过程模型与FEM方法建立的凝固过程模型的耦合，采用了类似区域搜索的方法，即以FEM节点为中心，把有限元单元网格长度作为半径构建球面空间，同时搜索球面空间内的SPH粒子，然后通过对SPH粒子与FEM节点之间的距离系数进行加权平均，得到有限单元节点的初始温度信息，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，进而使用有限元方法来模拟压力铸造凝固过程中应力场的变化过程。图5为基于SPH方法的充型过程完成时对应的温度场结果和基于FEM方法的凝固过程模拟初始温度场结果。可以看到，使用区域搜索的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6为FEM程序模拟该支架应力场的计算结果ZY剖面图和XY剖面图。通过图6圆圈处并对比图3可以看出，在支架产生缩松部位，受到的应力较小。这是由于压力铸造下，金属液充型快，保压时间短，铸件在力的作用下凝固并不充分。在铸件某处的凝固收缩会导致未凝固部位的金属液向此部位流动进行补缩，如果在补缩的过程中受到的阻力相当大，即流程压力损失相当大，补缩通道不够畅通，而施加在金属液上压力不足以克服这一压力损失而流到需要补缩的部位，则凝固部位得不到补缩，最终产生缩松缺陷。

图5 SPH法充型结束时温度场结果与FEM法凝固过程初始温度场结果

图6 FEM应力场ZY剖面图和XY剖面图

主要结论

（1）应用SPH-FEM耦合的方法模拟支架零件的压力铸造过程，采用SPH方法模拟充型过程和温度场，结合FEM方法计算凝固过程中的应力场。由于该支架在力的作用下凝固，会影响该支架的温度，因此对后续SPH计算凝固过程的温度场提供支持，以便于更加精确地预测缩松缺陷。并且与ProCAST软件进行对比，表明SPH-FEM耦合的方法程序计算准确，运行可靠。

（2）在SPH程序中加入Niyama判据进行支架缩松缺陷预测，并与ProCAST软件的模拟结果进行对比分析，模拟结果显示二者基本一致。同时结合自主研发的FEM程序进行凝固过程的应力场计算，发现该支架缩松分布在中心较厚部位以及一些靠近较薄模具的边缘。可能由于这些地方受力较小，金属液补缩过程受到的阻力大，并不能完全补缩。

【文章来源】

2025年第45卷第4期文章《基于SPH-FEM耦合方法的压力铸造缩松缺陷预测》

王天成1 葛涛涛1 贾金波1 牛晓峰1 侯华2,3 赵宇宏2

1. 太原理工大学材料科学与工程学院；2. 中北大学山西省有色金属液态成型工程技术研究中心；3. 太原科技大学材料科学与工程学院