合金铸件孔松预测方法、系统、电子设备及存储介质

技术领域

本发明属于铸造工艺缺陷预测相关技术领域，更具体地，涉及一种合金铸件孔松预测方法、系统、电子设备及存储介质。

背景技术

传统的铝合金铸件凝固数值模拟模型在预测孔松的过程中，将铸件的凝固过程默认为层状凝固，未考虑糊状区对补缩的影响，对于宽凝固温度区间的合金而言，可能导致模拟预测结果完全不准确，因此若要准确地模拟出宽凝固温度区间铸件的凝固过程并预测出孔松缺陷，必须要考虑糊状区的影响。

目前，本领域相关技术人员已经做了一些研究，但多数算法通过设定固定的临界固相率来划分可补缩和不可补缩单元，预测精度不高。相应地，本领域存在着发展一种精度较高的宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种合金铸件孔松预测方法、系统、电子设备及存储介质，解决了现有宽凝固温度区间铸件的凝固过程孔松缺陷预测方法预测精度不高的问题，基于金属液补缩过程中流经糊状区时产生的压强损失，能够更加精准的实现对孔松分布的预测，提高了预测精度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种合金铸件孔松预测方法，包括：

S1，构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，初始化浇注系统；

S2，搜索连通液相区；

S3，将所述连通液相区进行单元格划分，通过达西定律计算金属液流经任一单元格的压强损失，并通过弗洛伊德算法计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值；

S4，将水头与所述最小压强损失值的差值作为孤立液相区搜索的边界判据，搜索孤立液相区；

S5，判断所述孤立液相区的演变趋势；

S6，根据所述孤立液相区的演变趋势，计算所述孤立液相区的收缩增量，并将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松；

S7，更新各区域液相率，转到S2，直至不存在连通液相区。

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，S3中计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值，具体包括：

通过弗洛伊德算法计算任一单元格与其余单元格之间的最短路径，将最短路径上的单元格的压强损失累加获得最短路径对应的压强损失值；

取任一单元格与其余单元格之间的最短路径对应的压强损失值的最小值作为该任一单元格的最小压强损失值，对应的最短路径为最小压强损失路径。

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，S3中金属液流经任一单元格的压强损失ΔP具体为：

其中，C

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，S6具体包括：

S61，在所述孤立液相区存在湮灭情形时，通过上一时刻的所述孤立液相区即父孤立液相区的液相体积计算该父孤立液相区完全凝固产生的收缩增量，并将该收缩增量分配至该父孤立液相区形成孔松；

S62，在所述孤立液相区存在收缩或分裂情形时，通过上一时刻的所述孤立液相区即父孤立液相区的液相体积，与该父孤立液相区区域在本时刻仍存在的至少一个孤立液相区即子孤立液相区的液相体积的差值计算收缩增量，并将该收缩增量按照子孤立液相区的体积等比分配至子孤立液相区形成孔松。

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，S61中该父孤立液相区完全凝固产生的收缩增量ΔV

其中，ρ

S62中的收缩增量由以下公式计算：

其中，ΔV

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，S6中将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松具体包括：

根据单元格的水头与最小压强损失值的差值大小确定单元格的收缩增量分配优先级，其中差值越大优先级越高；

根据单元格的收缩增量分配优先级进行所述孤立液相区内收缩增量的分配。

根据本发明提供的合金铸件孔松预测方法，根据单元格的水头与最小压强损失值的差值大小确定单元格的收缩增量分配优先级，还包括：

设置压强参数，对于任意两个单元格即第一单元格和第二单元格，所述第一单元格的水头与最小压强损失值的差值为第一差值，所述第二单元格的水头与最小压强损失值的差值为第二差值，在所述第一差值大于所述第二差值，且所述第一差值与所述第二差值之间的差小于等于所述压强参数时，设置所述第二单元格的优先级与所述第一单元格的优先级一致。

按照本发明的第二方面，提供了一种合金铸件孔松预测系统，包括：

初始化模块，用于构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，初始化浇注系统；

第一搜索模块，用于搜索连通液相区；

压强损失计算模块，用于将所述连通液相区进行单元格划分，通过达西定律计算金属液流经任一单元格的压强损失，并通过弗洛伊德算法计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值；

第二搜索模块，用于将水头与所述最小压强损失值的差值作为孤立液相区搜索的边界判据，搜索孤立液相区；

判断模块，用于判断所述孤立液相区的演变趋势；

确定模块，用于根据所述孤立液相区的演变趋势，计算所述孤立液相区的收缩增量，并将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松；

更新模块，用于更新各区域液相率，转到第一搜索模块，直至不存在连通液相区。

按照本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述合金铸件孔松预测方法的步骤。

按照本发明的第四方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述合金铸件孔松预测方法的步骤。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的合金铸件孔松预测方法、系统、电子设备及存储介质：

1.基于金属液补缩过程中流经糊状区时产生的压强损失，针对宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法进行了设计，在预测孔松分布的过程中考虑了金属液流动时实时压强损失的影响，相比现有技术通常只是基于一个固定值来划分可补缩和不可补缩单元，该预测方法能够更加准确的判定单元格的补缩能力，从而能够更加精准的实现对孔松分布的预测，提高了预测精度；

2.实现了宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法可在有限时间内，依据浇注系统的三维模型、相应的材料物性参数及铸造工艺参数，较为准确地模拟出此铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对实际生产具有很好的参考价值。

附图说明

图1是本发明提供的合金铸件孔松预测方法的流程示意图；

图2是本发明提供的单元格优先级排序的示意图；

图3是本发明提供的合金铸件孔松预测方法在具体实施例中的流程框图；

图4是本发明提供的电子设备的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供一种合金铸件孔松预测方法，该预测方法包括：

S1，构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，初始化浇注系统；在初始时刻将整个浇注系统视为一个孤立液相区；

S2，搜索连通液相区；在一个具体实施方式中，可采用广度优化算法进行连通液相区的搜索；

S3，将所述连通液相区进行单元格划分，通过达西定律计算金属液流经任一单元格的压强损失，并通过弗洛伊德算法计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值；

S4，将水头与所述最小压强损失值的差值作为孤立液相区搜索的边界判据，搜索孤立液相区；各个单元格的水头与最小压强损失值的差值是判断孤立液相区连通与否的条件。

S5，判断所述孤立液相区的演变趋势；

S6，根据所述孤立液相区的演变趋势，计算所述孤立液相区的收缩增量，并将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松；

S7，更新各区域液相率，转到S2，直至不存在连通液相区。

本实施例根据达西定律推导金属液流经单元格时的压强损失量，并将整个连通液相区构建为图，利用弗洛伊德(Floyd)算法计算单元格之间最短补缩压强损失值，最终得到单元格的最小压强损失值，将单元格的水头与最小压强损失值的差值作为临界值判断单元格是否能够补缩，并基于此搜索孤立液相区，根据孤立液相区演变得到缩孔缩松分布。

本发明提供的合金铸件孔松预测方法，基于金属液补缩过程中流经糊状区时产生的压强损失，针对宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法进行了设计，在预测孔松分布的过程中考虑了金属液流动时实时压强损失的影响，相比现有技术通常只是基于一个固定值来划分可补缩和不可补缩单元，该预测方法能够更加准确的判定单元格的补缩能力，从而能够更加精准的实现对孔松分布的预测，提高了预测精度。

本发明实现了宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法可在有限时间内，依据浇注系统的三维模型、相应的材料物性参数及铸造工艺参数，较为准确地模拟出此铸造工艺下缩孔的位置、大小及形貌，对实际生产具有很好的参考价值。

进一步地，推导边界判据时将凝固糊状区作为多孔介质进行处理的。

进一步地，S3中计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值，具体包括：

通过弗洛伊德算法计算任一单元格与其余单元格之间的最短路径，将最短路径上的单元格的压强损失累加获得最短路径对应的压强损失值；

取任一单元格与其余单元格之间的最短路径对应的压强损失值的最小值作为该任一单元格的最小压强损失值，对应的最短路径为最小压强损失路径。

即通过弗洛伊德算法可以获取任一单元格与其余所有单元格之间的最短路径，对于每个最短路径，通过计算单元格的压强损失，而后累加得到各个最短路径上的压强损失值最后取压强损失值的最小值得到最小压强损失值。

进一步地，S3中金属液流经任一单元格的压强损失ΔP具体为：

其中，C

进一步地，S6具体包括：

S61，在所述孤立液相区存在湮灭情形时，通过上一时刻的所述孤立液相区即父孤立液相区的液相体积计算该父孤立液相区完全凝固产生的收缩增量，并将该收缩增量分配至该父孤立液相区形成孔松；

S62，在所述孤立液相区存在收缩或分裂情形时，通过上一时刻的所述孤立液相区即父孤立液相区的液相体积，与该父孤立液相区区域在本时刻仍存在的至少一个孤立液相区即子孤立液相区的液相体积的差值计算收缩增量，并将该收缩增量按照子孤立液相区的体积等比分配至子孤立液相区形成孔松。

孤立液相区的演变趋势具体为，孤立液相区会随着冷却的进行而逐渐缩小，其包含三个演变方式，①孤立液相区收缩，即一个大的父孤立液相区演变成一个小的子孤立液相区；②孤立液相区分裂，即一个大的父孤立液相区演变成多个小的子孤立液相区；③孤立液相区湮灭，即父孤立液相区的所有单元格都转化为固相单元格。本质上由于收缩和分裂只是子孤立液相区数目的区别因此在处理时可以按一种方式处理。

进一步地，S61中该父孤立液相区完全凝固产生的收缩增量ΔV

其中，ρ

进一步地，S62中的收缩增量由以下公式计算：

其中，ΔV

进一步地，S6中将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松具体包括：

根据单元格的水头与最小压强损失值的差值大小确定单元格的收缩增量分配优先级，其中差值越大优先级越高；

根据单元格的收缩增量分配优先级进行所述孤立液相区内收缩增量的分配。

即本实施例提出收缩增量在孤立液相区区域内形成孔松时，孔松的位置按照单元格的优先级顺序进行分配，即在优先级高的单元格处优先进行收缩增量的分配形成孔松，根据各个单元格的优先级排序依次进行收缩增量的分配。该收缩增量分配策略基于单元格的水头与最小压强损失值的差值大小确定单元格的收缩增量分配优先级，其中差值越大说明单元格的最小压强损失值越小，则越容易流动对其他单元格进行补缩，从而容易形成孔松。该分配策略考虑了金属液流动过程中的实时压强损失，能够更加的精准的评估判断单元格的可补缩能力，从而使得孔松的分布预测更加精准。

进一步地，根据单元格的水头与最小压强损失值的差值大小确定单元格的收缩增量分配优先级，还包括：

设置压强参数，对于任意两个单元格即第一单元格和第二单元格，所述第一单元格的水头与最小压强损失值的差值为第一差值，所述第二单元格的水头与最小压强损失值的差值为第二差值，在所述第一差值大于所述第二差值，且所述第一差值与所述第二差值之间的差小于等于所述压强参数时，设置所述第二单元格的优先级与所述第一单元格的优先级一致。

具体的在孤立液相区内分配收缩增量时，根据单元格的水头与最小压强损失值的差值大小决定收缩增量分配优先级，差值越大优先级越高。本方法还引入一个压强参数Critical_DeltaP，该压强参数具体为一个单元格长度下的体积力带来的压强值增量。在重力铸造下该压强参数为ρgh，h代表单元格的高度。当上一个优先级的单元格对应的差值与下个优先级的某个单元格对应的差值之差小于等于该参数时，可以将该单元格并入上一个优先级进行收缩增量分配计算。该设计更有利于快速实现收缩增量的分配，从而有利于提高孔松预测效率。

参考图2为单元格形成不同优先级的划分示意图，如图2所示，本实施例中A1-A4为优先级1单元格，B1-B6为优先级2单元格，然后CDEF的优先级依次降低，从而在分配收缩增量时，优先分配至A处形成孔松，然后B处，按照优先级排序依次分配。

进一步地，本发明还提供一种合金铸件孔松预测系统，该预测系统用于实现上述任一项实施例所述的合金铸件孔松预测方法，该预测系统与上述预测方法可对应参照理解，该预测系统包括：

初始化模块，用于构建浇注系统的三维模型，在凝固开始阶段，初始化浇注系统；

第一搜索模块，用于搜索连通液相区；

压强损失计算模块，用于将所述连通液相区进行单元格划分，通过达西定律计算金属液流经任一单元格的压强损失，并通过弗洛伊德算法计算任一单元格的最小压强损失路径以及对应的最小压强损失值；

第二搜索模块，用于将水头与所述最小压强损失值的差值作为孤立液相区搜索的边界判据，搜索孤立液相区；

判断模块，用于判断所述孤立液相区的演变趋势；

确定模块，用于根据所述孤立液相区的演变趋势，计算所述孤立液相区的收缩增量，并将所述收缩增量分配至所述孤立液相区区域形成孔松；

更新模块，用于更新各区域液相率，转到第一搜索模块，直至不存在连通液相区。

进一步地，本实施例考虑到现有铸造过程中孔松预测方法没有考虑补缩过程中压强损失的影响，预测精度不高，提供了基于压强损失的宽凝固温度区间合金铸件孔松预测方法，参考图3，所述重力铸造缩孔缺陷预测方法主要包括以下步骤：

S1，构建浇注系统三维模型，在其实时刻，初始化浇注系统，将整个浇注系统的最小压强损失值设为0，将整个浇注系统视为一个孤立液相区；

S2，搜索连通液相区；若存在连通液相区则转向S3；否则结束；本实施方案中，连通液相区的搜索利用广度优先算法实现，具体可对浇注系统求解温度场，根据温度场计算各个单元格的固液相率，然后确定连通液相区。

S3，在每个连通液相区的范围内搜索最小压强损失路径并计算所有连通液相区内各个位置的最小压强损失值；具体地，将连通液相区视为由多个单元格组成整体，通过达西定律计算金属液流经某单元格的压强损失，将连通液相区构成一个图，单元格格为图的节点，金属液流经单元格的压强损失为节点之间的权值，通过Floyd算法计算各个单元之间的最短路径并基于此计算各个单元的最小压强损失值；

S4，将水头与最小压强损失值的差值小于零作为孤立液相区搜索的边界判据，而后利用广度优先搜索算法搜索某时刻的孤立液相区的分布；具体可先确定连通液相区内部各个单元格是否可补缩，确定好不可补缩单元(即水头与最小压强损失值的差值小于零)通过排除不可补缩单元格后搜索连通液相区作为孤立液相区，即孤立液相区边界为不可补缩单元，内部为连通液相区。

S5，判断是否存在孤立液相区湮灭，即上一时刻某区域为孤立液相区而该时刻该区域已完全凝固，若存在则转向S61，否则转向S62；

S61，将一个时间刻产生的收缩量分配到上一个时刻的孤立液相区上形成缩孔；具体地，通过上一时刻某孤立液相区(称之为父孤立液相区)的液相体积计算该液相区完全凝固产生的收缩量，并将收缩量分配给父孤立液相区的相应位置，产生孔松；

S62，将一个时间刻产生的收缩量按上一时刻的孤立液相区在该时刻的子孤立液相区的体积大小按比例分配收缩量形成缩孔；具体地，通过父孤立液相区的液相体积，与该区域在本时刻仍存在的孤立液相区(称之为子孤立液相区)的液相体积的差值计算一个时刻产生的收缩量，并按照子孤立液相区的体积等比分配给这些子孤立液相区，形成孔松；

具体在孤立液相区相应位置形成孔松时按照收缩率分配准则即单元格分配优先级排序将收缩量分配到对应的单元格上形成孔松。

S7，而后更新各区域液相率，转到S2，直至不存在连通液相区。

具体可根据分配的收缩量计算气相率，然后根据平衡方程“固相率+液相率+缩孔分数＝100％”计算液相率，同时更新所有区域的液相率后，增加时间步长至下一时刻并转到步骤二进行循环，直到所有的孤立液相区均消失，以得到最终的缩孔分布。

进一步地，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一项实施例所述合金铸件孔松预测方法的步骤。

进一步地，一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述合金铸件孔松预测方法的步骤。

图4示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图4所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行合金铸件孔松预测方法。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的合金铸件孔松预测方法。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的合金铸件孔松预测方法。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。