(57)【要約】【課題】特殊な形状の鋳物であっても、引け巣欠陥の発生を精度よく予測することができる鋳造凝固解析方法を提供する。【解決手段】本発明の鋳造凝固解析方法は、鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域の部分に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する設定工程と、大気圧負荷部によって自由流動域の部分に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する解析実行工程と、の各処理を実行する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域の部分に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する設定工程と、
前記大気圧負荷部によって前記自由流動域の部分に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する解析実行工程と、
の各処理を実行することを特徴とする鋳造凝固解析方法。
【請求項２】
前記設定工程では、自由流動可能要素について１面以上の面でつながっている要素群にグループ分けし、サーチ対象の要素が属する自由流動可能なグループが前記大気圧負荷部に接しているとき、前記自由流動域の部分内の収縮分を補う溶湯補給計算を、前記大気圧負荷部からの溶湯補給計算とする
ことを特徴とする請求項１に記載の鋳造凝固解析方法。
【請求項３】
前記設定工程では、前記大気圧負荷部に接する溶湯要素が溶湯補給によって空になっているとき、前記大気圧負荷部に接する溶湯要素からの溶湯補給計算を行う
ことを特徴とする請求項２に記載の鋳造凝固解析方法。
【請求項４】
前記設定工程では、サーチ対象の要素が属する自由流動可能なグループが前記大気圧負荷部に接していないとき、前記自由流動域の部分内の収縮分を補う溶湯補給計算を、最高温度部からの溶湯補給計算とする
ことを特徴とする請求項２に記載の鋳造凝固解析方法。
【請求項５】
前記設定工程では、最高温度部の要素が溶湯補給によって空になっているとき、次に高い温度部を最高温度部に変更し、当該最高温度部からの溶湯補給計算を行う
ことを特徴とする請求項４に記載の鋳造凝固解析方法。
【請求項６】
鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域の部分に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する設定部と、
前記大気圧負荷部によって前記自由流動域の部分に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する解析実行部と、
を備えることを特徴とする鋳造凝固解析装置。
【請求項７】
鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域の部分に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する処理と、
前記大気圧負荷部によって前記自由流動域の部分に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する処理と、
をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造凝固解析方法、鋳造凝固解析装置およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイカスト品や鋳鋼品などの鋳造を行う際に、ほとんどの金属の場合、凝固時に収縮が起こる。このため、鋳造品には引け巣欠陥と呼ばれる凝固収縮に伴う空洞欠陥（鋳造欠陥）が発生する。品質の高い鋳造品を製造するには、鋳造プロセスに鋳造シミュレーション（コンピュータシミュレーション）を適用し、当該鋳造シミュレーションにおいて、引け巣欠陥の発生を予測することが求められる。
【０００３】
引け巣欠陥の発生を予測する技術として、特許文献１および非特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、「鋳造金属の溶湯が凝縮する際に収縮する量を収縮量とし、複数要素からなるモデルの要素の一つひとつに収縮量を設定し、この収縮量を固相率に応じて隣接するセルに分配する」と記載されている。また、非特許文献１には、「溶湯補給は重力方向および隣接要素の最大固相率勾配の方向から行う」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３２９４６５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】長坂悦敬、外２名、「３次元凝固解析による引け巣の定量的予測」、鋳物、日本鋳造工学会、1989年、第61巻、第2号、p.98-103
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１および非特許文献１に記載の従来技術では、引け巣欠陥の発生の予測に大気圧を考慮していないため、特殊な形状の鋳物の場合、実際に引け巣欠陥が存在しない場合であっても、引け巣欠陥の発生が予測されてしまうという課題があった。特殊な形状の鋳物としては、例えば、鋳物本体の最上部よりも低い位置に押湯を付けたもの（例えば、サイドライザー）を例示することができる。
【０００７】
そこで、本発明は、特殊な形状の鋳物であっても、引け巣欠陥の発生を精度よく予測することができる鋳造凝固解析方法、鋳造凝固解析装置およびプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域の部分に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する設定工程と、
大気圧負荷部によって自由流動域の部分に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する解析実行工程と、
の各処理を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、引け巣欠陥の発生の予測に大気圧を考慮しているため、特殊な形状の鋳物であっても、引け巣欠陥の発生を精度よく予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る鋳造凝固解析装置の構成を示すブロック図の例である。
【図２】鋳型に溶湯を注入した際の溶湯の補給経路の導出手順について説明する断面図の例である。
【図３】本発明の一実施形態に係る鋳造凝固解析方法の処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図４】計算データ準備のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図５】温度変化を計算するための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図６】引け巣を計算するための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図７】引け巣計算Ａの処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図８】大気圧負荷部からの溶湯補給計算のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図９】最高温度部からの溶湯補給計算のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図１０】引け巣計算Ｂの処理の流れを示すフローチャートの例である。
【図１１】従来の引け巣予測方法の考え方を模式的に示す鋳物の断面図の例である。
【図１２】本実施形態の引け巣予測方法の考え方を模式的に示す鋳物の断面図の例である。
【図１３】図１２に示す自由流動域の部分の領域が凝固進行に伴ってある時間後に溶湯は残存するものの自由流動が不可能な状態になった部分を示す図の例である。
【図１４】本実施形態で用いた鋳物の全体形状を示す斜視図の例である。
【図１５】本実施形態で用いた鋳物に発生した実際の引け巣欠陥の発生位置を示す図の例である。
【図１６】本実施形態で用いた鋳物が、設定した流動限界固相率に到達する時間の分布を示す図の例である。
【図１７】本実施形態で用いた鋳物について、従来法による引け巣予測結果を示す図の例である。
【図１８】本実施形態で用いた鋳物について、本実施形態に係る引け巣予測法による引け巣予測結果を示す図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本発明は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値などは例示である。なお、以下の説明や各図において、同一要素または同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１２】
［鋳造凝固解析装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る鋳造凝固解析装置の構成を示すブロック図の例である。図１に示すように、本実施形態に係る鋳造凝固解析装置１０は、プリプロセッサ部１１と、ソルバーと呼称される凝固解析実行部１２と、ポストプロセッサ部１３とを備える構成となっている。
【００１３】
プリプロセッサ部１１は、解析する形状モデル、使用する物性値などの解析パラメータおよび凝固解析の計算条件を設定するための処理を行う。本実施形態に係る鋳造凝固解析装置１０にあっては、解析パラメータの一つとして、大気圧を用いることを特徴としている。すなわち、プリプロセッサ部１１は、鋳造品の凝固解析を行うに際して、後述する自由流動域に対して大気圧を付与する大気圧負荷部を設定する設定部（設定工程）としての機能を有する。
【００１４】
凝固解析実行部１２は、湯流れ解析、凝固解析および引け巣欠陥の発生の予測のための処理を行う。湯流れ解析では、３次元の自由表面の移動を考慮した熱・流動解析を実施する。凝固解析では、鋳型内の凝固の進行状況を数値解析する。凝固解析実行部１２は、凝固解析による解析結果を基に、引け巣欠陥の発生、より具体的には引け巣欠陥の発生位置および大きさを予測する。すなわち、凝固解析実行部１２は、自由流動域に付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する解析実行部（解析実行工程）としての機能を有する。
【００１５】
ポストプロセッサ部１３は、凝固解析実行部１２での予測結果を図にして、発生が予測された引け巣欠陥の発生位置および大きさを可視化表示する。このポストプロセッサ部１３による表示から、実際に鋳造した際に、鋳物に発生すると予測される引け巣欠陥の状態（即ち、引け巣欠陥の発生位置および大きさ）を評価することができる。
【００１６】
鋳造凝固解析装置１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵの作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）とを含む周知のマイクロコンピュータによって構成することができる。この場合、図１は、鋳造凝固解析装置１０の機能ブロック図ということになる。すなわち、プリプロセッサ部１１、凝固解析実行部１２およびポストプロセッサ部１３は、ＣＰＵがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することにより、ソフトウェアで実行する機能部である。
【００１７】
（溶湯の補給経路の導出手順）
図２は、鋳型に溶湯を注入した際の溶湯の補給経路の導出手順について説明する断面図の例である。図２Ａは、凝固の初期段階を示し、図２Ｂは、凝固の中期段階を示し、図２Ｃは、凝固の末期段階を示している。
【００１８】
鋳型２１において、鋳造金属の溶湯が凝固する際に空気に触れる領域には、プリプロセッサ部１１によって、２次元的または３次元的に大気圧負荷部２２が設定される。鋳型２１および大気圧負荷部２２は、通気性を有する材料で構成されている。
【００１９】
図２に示す鋳物は、凝固が進んだ状態であり、自由流動域以外の部分２３と、自由流動域の部分２４とからなる。自由流動域以外の部分２３は、その固相率が１から流動限界固相率として定義される値以上の部分、即ち粘性流れ状態にない部分である。自由流動域の部分２４は、その固相率が０〜流動限界固相率として定義される値以下の部分、即ち粘性流れ状態である部分である。図２には、大気圧負荷部２２の周囲に引け巣欠陥２５が発生した状態を示している。大気圧負荷部２２は、自由流動域の部分２４に対して大気圧を付与する（付加する）、例えば貫通孔である。
【００２０】
鋳物部の凝固収縮、即ち、自由流動域以外の部分２３と自由流動域の部分２４の凝固収縮に対する溶湯補給は、大気圧負荷部２２と接する部分から行うこととする。また、溶湯の補給量は、各部の固相率に応じて行うこととする。このときの補給量については、一律ではなく、固相率に応じて制限を加えるようにしてもよい。
【００２１】
自由流動域の部分２４内の収縮に対する溶湯補給、即ち収縮分を補う溶湯補給は、全て大気圧負荷部２２に接する溶湯部分から行うこととする。そのようにすることは、広く知られているトリチェリの実験結果である「大気圧は水銀柱７６０ミリメートルの高さと釣り合う」ということから合理的である。つまり、大気圧負荷部２２の部分から自由流動域の部分２４に大気圧が作用すれば、溶湯がアルミニウム合金であれば水銀との密度差から溶湯は高さ約４．１メートル、鉄合金であれば約１．５メートル押し上げる能力があるからである。これにより、引け巣欠陥２５は、大気圧負荷部２２の周囲から発生して成長することになる。
【００２２】
［鋳造凝固解析方法］
以下に、上記構成の本実施形態に係る鋳造凝固解析装置１０における鋳造凝固解析方法（本発明の一実施形態に係る鋳造凝固解析方法）について、図３を用いて説明する。図３は、鋳造凝固解析方法の処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００２３】
本実施形態に係る鋳造凝固解析方法の処理動作は、図１の凝固解析実行部１２の処理動作に相当する。そして、鋳造凝固解析装置１０がマイクロコンピュータによって構成される場合、その処理動作は、ＣＰＵによる制御の下に実行される。
【００２４】
図３のフローチャートにおいて、ＣＰＵは、先ず、計算データの準備を行う（ステップＳ１１）。ここでは、図１のプリプロセッサ部１１で設定したデータ、即ち、解析する形状モデル、使用する物性値などの解析パラメータおよび凝固解析の計算条件を使用する。この計算データの準備の処理動作の詳細については後述する（図４参照）。
【００２５】
次に、ＣＰＵは、時間の初期値ｔ＝０を設定し（ステップＳ１２）、次いで、時間を微小な時間Δtだけ進め（ステップＳ１３）、次いで、微小な時間Δt後の温度変化を計算する（ステップＳ１４）。この温度変化を計算する処理動作の詳細については後述する（図５参照）。次に、ＣＰＵは、温度変化を基にして引け巣を計算する（ステップＳ１５）。この引け巣を計算する処理動作の詳細については後述する（図６参照）。
【００２６】
次に、ＣＰＵは、鋳物全てが凝固したか否かを判定し（ステップＳ１６）、凝固が完了していなければ（Ｓ１６のＮＯ）、ステップＳ１３に戻って同様の処理を繰り返す。凝固が完了していれば（Ｓ１６のＹＥＳ）、ＣＰＵは、凝固解析実行部１２の処理動作、即ち湯流れ解析を含む凝固解析および引け巣欠陥の発生の予測のための一連の処理動作を終了する。
【００２７】
（計算データ準備の処理動作）
続いて、図３のステップＳ１１の計算データ準備のための処理動作について、図４を用いて説明する。図４は、計算データ準備のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００２８】
ＣＰＵは、図１のプリプロセッサ部１１で準備された各種データの中から、鋳物および鋳型を解析用に要素化したデータを読み込み（ステップＳ２１）、次いで、重力方向を読み込み（ステップＳ２２）、次いで、大気圧負荷部２２を通して自由流動域の部分２４に付与する大気圧を読み込み（ステップＳ２３）、次いで、使用する物性値を読み込む（ステップＳ２４）。
【００２９】
次に、ＣＰＵは、自由流動可能な流動限界固相率を読み込み（ステップＳ２５）、次いで、境界条件を読み込む（ステップＳ２６）。ここで、境界条件は、鋳物と鋳型など各種境界での熱抵抗値（＝熱伝達率の逆数に相当する値）である。次に、ＣＰＵは、ステップＳ２１、ステップＳ２４およびステップＳ２６で読み込んだデータから凝固解析用の時間きざみΔtを設定し（ステップＳ２７）、計算データ準備のための一連の処理動作を終了し、図３のステップＳ１３に移る。
【００３０】
（温度変化計算のための処理動作）
続いて、図３のステップＳ１４の温度変化を計算するための処理動作について、図５を用いて説明する。図５は、温度変化を計算するための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００３１】
ＣＰＵは、先ず、解析用に要素化した各要素（ｉ＝１〜ｉmax，ｊ＝１〜ｊmax，ｋ＝１〜ｋmax）を全てサーチすることを指示し（ステップＳ３１）、次いで、各要素について時間Δt前の旧温度を使って新温度を算出する（ステップＳ３２）。この処理については、例えば非特許文献１に開示された解析方法に準じる。また、ここでは差分法を採用しているが、これに限られるものではなく、有限要素法による温度変化計算であっても実現できる。
【００３２】
ＣＰＵは、ステップＳ３１からステップＳ３３までのループ処理を、全ての要素についてサーチが完了するまで繰り返して実行する。そして、ＣＰＵは、全ての要素についてループ処理が完了すると、温度変化を計算するための一連の処理動作を終了し、図３のステップＳ１５に移る。
【００３３】
（引け巣計算のための処理動作）
続いて、図３のステップＳ１５の引け巣を計算するための処理動作について、図６を用いて説明する。図６は、引け巣を計算するための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００３４】
ＣＰＵは、先ず、自由流動可能要素について１面以上の面でつながっている要素群にグループ分けし（ステップＳ４１）、次いで、要素（ｉ＝１〜ｉmax，ｊ＝１〜ｊmax，ｋ＝１〜ｋmax）について全てサーチすることを指示する（ステップＳ４２）。
【００３５】
次に、ＣＰＵは、サーチ中の要素が鋳物要素であるか否かをチェックし（ステップＳ４３）、鋳物要素でなければ（Ｓ４３のＮＯ）、ステップＳ４２に戻り、鋳物要素であれば（Ｓ４３のＹＥＳ）、固相線温度以上であるか否かをチェックする（ステップＳ４４）。そして、ＣＰＵは、固相線温度以上でなければ（Ｓ４４のＮＯ）、ステップＳ４２に戻り、固相線温度以上であれば（Ｓ４４のＹＥＳ）、旧温度から新温度になる間の凝固収縮量を算出する（ステップＳ４５）。
【００３６】
次に、ＣＰＵは、自由流動可能領域であるか否かをチェックし（ステップＳ４６）、自由流動可能領域であれば（Ｓ４６のＹＥＳ）、引け巣計算Ａを行う（ステップＳ４７）。この引け巣計算Ａの処理動作の詳細については後述する（図７参照）。ＣＰＵは、自由流動可能領域でなければ（Ｓ４６のＮＯ）、引け巣計算Ｂを行う（ステップＳ４８）。この引け巣計算Ｂの処理動作の詳細については後述する（図１０参照）。
【００３７】
ＣＰＵは、ステップＳ４２からステップＳ４９までのループ処理を、全ての要素についてサーチが完了するまで繰り返して実行する。そして、ＣＰＵは、全ての要素についてループ処理が完了すると、引け巣を計算するための一連の処理動作を終了し、図３のステップＳ１６に移る。
【００３８】
（引け巣計算Ａの処理動作）
続いて、図６のステップＳ４７の引け巣計算Ａの処理動作について、図７を用いて説明する。図７は、引け巣計算Ａの処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００３９】
ＣＰＵは、先ず、サーチ対象の要素が属する自由流動可能なグループが、大気圧負荷部２２に接しているか否かをチェックする（ステップＳ５１）。大気圧負荷部２２に接していれば（Ｓ５１のＹＥＳ）、ＣＰＵは、大気圧負荷部２２からの溶湯補給計算を行う（ステップＳ５２）。この大気圧負荷部２２からの溶湯補給計算の処理動作の詳細については後述する（図８参照）。
【００４０】
また、大気圧負荷部２２に接していなければ（Ｓ５１のＮＯ）、ＣＰＵは、最高温度部からの（高温部から低温部への）溶湯補給計算を行う（ステップＳ５３）。この最高温度部の溶湯補給計算の処理動作の詳細については後述する（図９参照）。ステップＳ５２またはステップＳ５３の処理終了後、引け巣計算Ａのための一連の処理動作を終了し、図６のステップＳ４９に移る。
【００４１】
（大気圧負荷部からの溶湯補給計算のための処理動作）
続いて、図７のステップＳ５２の大気圧負荷部２２からの溶湯補給計算のための処理動作について、図８を用いて説明する。図８は、大気圧負荷部２２からの溶湯補給計算のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００４２】
ＣＰＵは、先ず、大気圧負荷部２２に接する溶湯要素が溶湯補給によって空になっているか否かをチェックする（ステップＳ６１）。大気圧負荷部２２に接する溶湯要素が空になっていれば（Ｓ６１のＮＯ）、ＣＰＵは、その要素を大気圧負荷部２２に変更し（ステップＳ６２）、次いで、大気圧負荷部２２に接する溶湯要素からの溶湯補給計算を行う（ステップＳ６３）。大気圧負荷部２２に接する溶湯要素が溶湯補給によって空になっていなければ（Ｓ６１のＹＥＳ）、ＣＰＵは、直接ステップＳ６３に移行する。そして、ステップＳ６３の処理終了後、ＣＰＵは、大気圧負荷部２２からの溶湯補給計算のための一連の処理動作を終了し、図６のステップＳ４９に移る。
【００４３】
（最高温度部からの溶湯補給計算のための処理動作）
続いて、図７のステップＳ５３の最高温度部からの溶湯補給計算のための処理動作について、図９を用いて説明する。図９は、最高温度部からの溶湯補給計算のための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００４４】
ＣＰＵは、先ず、最高温度部の要素が溶湯補給によって空になっていないか否かをチェックする（ステップＳ７１）。最高温度部の要素が空になっていれば（Ｓ７１のＮＯ）、ＣＰＵは、最高温度部の次に高い温度部を最高温度部に変更し（ステップＳ７２）、次いで、最高温度要素からの溶湯補給計算を行う（ステップＳ７３）。最高温度部の要素が空になっていなければ（Ｓ６１のＹＥＳ）、ＣＰＵは、直接ステップＳ７３に移行する。そして、ステップＳ７３の処理終了後、ＣＰＵは、最高温度部からの溶湯補給計算のための一連の処理動作を終了し、図６のステップＳ４９に移る。
【００４５】
（引け巣計算Ｂのための処理動作）
続いて、図６のステップＳ４８の引け巣計算Ｂのための処理動作について、図１０を用いて説明する。図１０は、引け巣計算Ｂのための処理の流れを示すフローチャートの例である。
【００４６】
ＣＰＵは、先ず、補給可能な隣接要素数ｎmaxのカウンタを０にリセットし（ステップＳ８１）、次いで、対角線方向の要素を含む隣接要素、２６個の全てについてサーチを指示し（ステップＳ８２）、次いで、サーチ対象の要素よりも高温の要素であるか否かを判断する（ステップＳ８３）。
【００４７】
ＣＰＵは、サーチ対象の要素よりも高温の要素でなければ（Ｓ８３のＮＯ）、ステップＳ８２に戻り、高温の要素であれば（Ｓ８３のＹＥＳ）、隣接要素数ｎmaxのカウンタを１個増分（ｎmax＝ｎmax＋１）する（ステップＳ８４）。ＣＰＵは、ステップＳ８２からステップＳ８５までのループ処理を、隣接要素の全て（２６個）について完了するまで繰り返して実行する。そして、ＣＰＵは、隣接要素の全てについてループ処理が完了すると、隣接要素数ｎmaxが１個以上（ｎmax＞０）であるか否かを判断する（ステップＳ８６）。
【００４８】
ＣＰＵは、隣接要素数ｎmaxが１個以上でなければ（Ｓ８６のＮＯ）、引け巣計算Ｂのための一連の処理を終了し、隣接要素数ｎmaxが１個以上であれば（Ｓ８６のＹＥＳ）、溶湯補給可能な隣接要素のサーチを指示し（ステップＳ８７）、次いで、隣接要素からの溶湯補給計算を行う（ステップＳ８８）。ＣＰＵは、ステップＳ８７からステップＳ８９までのループ処理を、溶湯補給可能な隣接要素についてサーチが完了するまで繰り返して実行する。そして、ＣＰＵは、溶湯補給可能な隣接要素についてループ処理が完了すると、引け巣計算Ｂのための一連の処理動作を終了し、図６のステップＳ４９に移る。
【００４９】
［プログラム］
鋳造品の凝固解析を行うに際して、大気圧負荷部２２を設定する処理、及び、大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測する処理は、コンピュータの一例であるマイクロコンピュータに対するプログラムの命令によって実行することができる。より具体的には、マイクロコンピュータのＣＰＵによる制御の下に実行される、図３乃至図１０のフローチャートの一連の処理は、ＣＰＵに対するプログラムの命令によって実行することができる。
【００５０】
この一連の処理をＣＰＵに実行させる、本発明の一実施形態に係るプログラムについては、マイクロコンピュータのＲＯＭに予めインストールしておくことが考えられる。ただし、これに限定されるものではなく、有線や無線による通信手段によって提供することも可能であるし、コンピュータ読み取りが可能なＩＣカードやＵＳＢメモリ等の記憶媒体に格納して提供することも可能である。
【００５１】
［従来の引け巣予測方法の考え方］
ここで、従来の引け巣予測方法の考え方について、図１１を用いて説明する。図１１は、従来の引け巣予測方法の考え方を模式的に示す鋳物の断面図の例である。時間は、図１１Ａ→図１１Ｂ→図１１Ｃと進む。
【００５２】
溶湯補給は、重力方向、即ち最上部から最下部方向へと行われる。自由流動域以外の部分２３は、流動限界固相率として定義される値以上の部分である。自由流動域の部分２４は、流動限界固相率として定義される値以下の領域である。このようにすると、引け巣欠陥は、自由流動域の部分２４の最上部から発生することになる。そして、図示する位置に引け巣欠陥２６，２７の発生位置が予測されることになる。
【００５３】
図１１Ａでは、Δｈで示すヘッドの差から重力的に上に位置する位置に引け巣欠陥２６が発生する。図１１Ｂでは、同様に重力的に上に位置する位置に引け巣欠陥２７が発生する。図１１Ｃでは、ほとんど凝固が終了した状態であって引け巣欠陥２７は、図示する位置に成長する。最終的には、引け巣欠陥２６の位置と引け巣欠陥２７の位置の２ヶ所に、引け巣欠陥の発生位置が予測されることになる。
【００５４】
［本実施形態の引け巣予測方法の考え方］
次に、本実施形態の引け巣予測方法の考え方について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態の引け巣予測方法の考え方を模式的に示す鋳物の断面図の例である。
【００５５】
本実施形態に係る鋳造凝固解析装置１０では、溶湯補給は、重力方向に加えて、大気圧負荷部２２に接する溶湯部からも行うこととする。大気圧負荷部２２による自由流動域の部分２４に対する大気圧の付与により、溶湯補給は、重力方向とは逆方向、即ち下から上方向へも行われることになる。
【００５６】
時間は、図１２Ａ→図１２Ｂ→図１２Ｃと進む。自由流動域以外の部分２３は、流動限界固相率として定義される値以上の部分である。自由流動域の部分２４は、流動限界固相率として定義される値以下の領域である。引け巣欠陥は、大気圧負荷部２２に接して発生し、引け巣欠陥２５として成長する。
【００５７】
図１２Ａでは、大気圧負荷部２２を通して自由流動域の部分２４の領域全体に大気圧が作用することになる。これにより、図１１に示す引け巣欠陥２６に相当する部分にも溶湯が補給されることになる。この結果、図１２Ｃの引け巣欠陥２５の位置の１ヶ所にだけ、引け巣欠陥の発生位置が予測されることになる。
【００５８】
図１３は、図１２に示す自由流動域の部分２４の領域が凝固進行に伴ってある時間後に溶湯は残存するものの自由流動が不可能な状態になった部分、即ち、固相率が流動限界固相率以上で１未満の部分の自由流動域以外の部分２４’を示す図の例である。
【００５９】
自由流動域以外の部分２４’の外側の鋳物部は、固相率が１に達した凝固完了部分である。この自由流動域以外の部分２４’の領域では固相量が多いため、溶湯は広範囲には速やかに動けない。したがって、溶湯補給の授受は隣接要素間だけで行われる。このとき、溶湯の補給方向は、大気圧負荷部２２および重力方向は考慮せずに、温度の高い方から低い方へと行われるものとする。これにより、自由流動域以外の部分２４’の領域内に軽微な引け巣欠陥が予測されることになる。
【００６０】
図１３において、引け巣欠陥２６，２７は、前述の自由流動域における従来の引け巣予測法で予測される引け巣欠陥を示すものである。
【００６１】
図１４は、本実施形態で用いた鋳物の全体形状を示す斜視図の例である。
【００６２】
鋳物３０は、鋳型内に配置した溶湯の注入口３１と、注入口３１から鋳物本体部へ溶湯を導くための湯道３２と、鋳物部分３３ａ，３３ｂ，３３ｃとで構成されている。大気圧負荷部２２は、通気性の良い耐火物で作製されている。以降の説明については、鋳物部分３３ａ，３３ｂ，３３ｃを含むＡ−Ａ’断面部について行う。
【００６３】
図１５は、本実施形態で用いた鋳物に発生した実際の引け巣欠陥の発生位置を示す図の例であり、図１４のＡ−Ａ’断面図に対応している。この実際の鋳物の断面図は、例えば染色探傷試験によって得られたものである。染色探傷試験は、赤色や蛍光の浸透性のよい検査液を用いて引け巣欠陥を検出する非破壊検査方式である。
【００６４】
図１５において、鋳物部分４１ａは、図１４の鋳物部分３３ａに相当し、鋳物部分４１ｃは、図１４の鋳物部分３３ｃに相当する。また、一点鎖線で示す部分４２は、図１４の大気圧負荷部２２に相当する部分であって、鋳型砂と共に除去された部分である。
【００６５】
鋳物部分４１ａでは、図示した破線の円４３，４４内に引け巣欠陥が発生している。鋳物部分４１ｃでは、図示した破線の円４５内に引け巣欠陥が発生している。これらの引け巣欠陥のうち、破線の円４４，４５内に発生する引け巣欠陥は、微小な空洞部が密に点在するものである。
【００６６】
図１６は、本実施形態で用いた鋳物が、設定した流動限界固相率に到達する時間の分布を示す図の例である。これはシミュレーションの過程で得られたものであり、図１４で示したＡ−Ａ’断面部での様子を示す。
【００６７】
図１６において、鋳物部分５１ａは、図１４の鋳物部分３３ａに相当し、鋳物部分５１ｃは、図１４の鋳物部分３３ｃに相当する。大部分で通気性のある大気圧負荷部５２へ向かう指向性凝固が達成されている。このことから、本実施形態によれば、引け巣計算の大部分は、図６の引け巣計算Ａのステップ（ステップＳ４７）で行われることになる。一方、図中の破線５３，５４で囲った内側の領域では、大気圧負荷部５２の方向への指向性凝固が未達なため、この領域では、図６の引け巣計算Ｂのステップ（ステップＳ４８）で行われることになる。
【００６８】
図１７は、本実施形態で用いた鋳物について、従来法による引け巣予測結果を示す図の例であり、図１４のＡ−Ａ’断面図に対応している。
【００６９】
図１７において、鋳物部分６１ａは、図１４の鋳物部分３３ａに相当し、鋳物部分６１ｃは、図１４の鋳物部分３３ｃに相当する。大気圧負荷部６２については、従来の引け巣予測法では設定されないが、本実施形態に係る引け巣予測法との対比のために構成部材の一つとして設定している。従来の引け巣予測法では、引け巣欠陥は、図中に示した４ヶ所の破線の円６３，６４，６５，６６内に予測される。これを、図１５に示す実際の引け巣欠陥の発生位置と対比すると、予測された４ヶ所の破線の円６３，６４，６５，６６内の引け巣欠陥のうち、破線の円６６内の引け巣欠陥は実際の鋳物には存在していないものである。
【００７０】
従来の引け巣予測法では、重力方向しか考慮していないために、溶湯補給が各鋳物の上部から下方向へ行われることから、鋳物部分６１ｃの上部に、破線の円６６内の引け巣欠陥が予測されてしまうのである。
【００７１】
図１８は、本実施形態で用いた鋳物について、本実施形態に係る引け巣予測法による引け巣予測結果を示す図の例であり、図１４のＡ−Ａ’断面図に対応している。
【００７２】
図１８において、鋳物部分７１ａは、図１４の鋳物部分３３ａに相当し、鋳物部分７１ｃは、図１４の鋳物部分３３ｃに相当する。鋳物部分３３ａの最上部に大気圧負荷部７２が設定されている。本実施形態に係る引け巣予測法によれば、引け巣欠陥は図中に示した３ヶ所の破線の円７３，７４，７５内に予測される。これを、図１５に示す実際の引け巣欠陥の発生位置と比較すると、予測されている破線の円７３，７４，７５内の引け巣欠陥はそれぞれ図１５の破線の円４３，４４，４５内の引け巣欠陥によく対応している。そして、鋳物部分７１ｃの上部に引け巣欠陥が予測されていないことも、図１５の鋳物部分４１ｃの上部の状況と一致している。
【００７３】
鋳物部分７１ａの上部に引け巣欠陥が発生しないのは、ここに引け巣空洞が出来ようとしても、大気圧負荷部７２からの大気圧の作用によって溶湯の押し上げが起こり、これによって空洞が溶湯によって埋められてしまうからである。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態では、鋳造品の凝固解析を行うに際して、粘性流れ状態である自由流動域に対して大気圧を付与する大気圧負荷部２２を設定し、大気圧負荷部２２によって付与される大気圧を解析パラメータの一つとして用いて引け巣欠陥の発生を予測するようにしている。これにより、鋳物本体の最上部よりも低い位置に押湯を付けたもの（例えば、サイドライザー）などの特殊な形状の鋳物であっても、引け巣欠陥の発生を精度よく予測することができる。このことについては、実際の引け巣欠陥の発生状況を示す図１５と、本実施形態に係る引け巣予測法による引け巣予測結果を示す図１８との対比からも明らかである。
【００７５】
ここで、例えば、実際の鋳造に用いる鋳型に、溶湯を入れるための貫通孔や、空気を出すための貫通孔が存在する場合には、当該貫通孔に対応する位置に大気圧負荷部２２を設定することが好ましい。これにより、実際の鋳造において、貫通孔を通して作用する大気圧を考慮して引け巣欠陥の発生を予測することができるため、引け巣欠陥の発生の予測精度をより高めることができる。その結果、実際の鋳造において、引け巣欠陥の発生を抑えることができるため、品質の高い鋳造品を製造することができる。
【００７６】
ただし、大気圧負荷部２２の設定位置については、上記の設定例に限定されるものではない。例えば、任意の位置に大気圧負荷部２２を設定し、それを基に引け巣欠陥の発生を予測し、良好な予測結果が得られた場合の、大気圧負荷部２２の設定位置に対応して、実際の鋳型に貫通孔を設けるようにすることもできる。これにより、実際の鋳造において、引け巣欠陥の発生の予測結果を忠実に反映させることできるため、引け巣欠陥の発生を抑えることができ、品質の高い鋳造品を製造することができる。
【００７７】
［変形例］
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、図１に示す各機能部については、ソフトウェアで実現する場合の他、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによってハードウェアで実現してもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１０…鋳造凝固解析装置、  １１…プリプロセッサ部、  １２…凝固解析実行部、  １３…ポストプロセッサ部、  ２１…鋳型、  ２２，５２，６２，７２…大気圧負荷部、  ２３…自由流動域以外の部分、  ２４…自由流動域の部分、  ２５，２６，２７…引け巣欠陥
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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