《计算机在材料科学与工程中的应用》论文_——计算机模拟在金属铸造中的应用.doc

计算机在材料科学与工程中的应用论文计算机模拟在金属铸造中的应用学院：专业：班级：姓名：学号：指导老师：摘要： 在材料科学的研究过程中，分析材料的性能、分析材料的组成、新性能材料的设计以及制备方法、加工工艺等等都需要用到计算机；材料科学研究的每一个领域倘若离开计算机就无法正常完成任务，因此说，计算机在材料科学研究领域中起着不可忽视的重要作用，更是材料科学研究中的高科技工具。本文主要试通过浅谈计算机和材料的关系来解析计算机在金属铸造中的应用，目的是来进一步推进计算机在各个学科研究范畴的发展，从而也能促进我国社会经济的进一步向前发展。传统的铸造方法铸造铸件时需要不断的试验，经过对铸造工艺的修改，得到理想的铸造工艺和可以使用的铸件，这个过程需要丰富的经验和不断的尝试，需要耗费大量的人力物力，不但成本大，而且效率很低。通过计算机对铸造凝固过程的模拟可以很好的解决传统方法在工艺设计上的缺点，不但减少了成本上的支出，还很好的解决了铸件内部的缺陷。关键字：计算机模拟 金属铸造 应用前言： 在数值模拟过程中，所应用的软件是CAE,CAE是Computer Aided Enqineering的缩写。计算机在材料科学中的应用的CAE流程，基本思路是产品在设计开发的初期，建立数学物理模型，通过计算机预测产品的性能，从而达到最优化的设计。CAE流程主要由预处理，计算，后处理组成，在预处理过程中，首先新建一个Project，读入CAD的STL文件，接着将STL文件差分为网格文件，最后进行参数设定，完成设定后，进行计算，计算结束后，进行后处理，导入“流动方案”和“凝固方案”，选择适当的视角，将过程进行“动画生成”，输出过程截图，进行分析，从而改进方案。1计算机模拟在金属铸造中的应用1.1铸造工艺计算机辅助设计(CAD)能实现的功能 铸造工艺计算机辅助设计(CAD)技术主要实现以下功能，如铸件的几何、物理量计算(包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算);浇注系统的设计计算(包括选择浇注系统的类型和各组元的尺寸计);补缩系统的设计计算(包括冒口、冷铁及合理的补缩通道的设计计算);绘图(包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡片等图形的绘制和输出)。与传统的铸造工艺设计相比，采用计算机设计铸造工艺的特点是：计算准确、迅速，消除了人为计算误差;能够大量储存并利用众多铸造工作者的经验，使得使用者能够设计比较合理的铸造工艺;能够对铸造工艺方案进行优化以便确定最佳的方案;具有自动打印记录并绘制各种技术文件的能力。1.2计算机辅助制造和几何造型 在金属铸造领域中，计算机辅助设计的应用还没有象在其他领域那样流行。铸件设计的主要部分依然靠人工。主要原因是由于液态金属凝固和流动时出现的复杂现象，铸件的复杂形状进一步造成困难。所以，几何造型是铸件计算机辅助设计中的一个关键组成部分。一个铸件的形状数据要在设计过程中的几个阶段使用：(a)质量和成本估篦（b)工艺计算和方案设计(c)通过凝固模拟和其他方法的设计评估(d)生成图形和嗣于模成品的数控加工数据。用于成本估苒的重量计算和熔化准备主要靠手工完成。浇冒口计也靠人工完成。进而产生一个用于凝固模拟的单独形状模型，仅有少数例外。看来很简单，将用加工的几何数据转换为模拟模型并不容易，主要困难是铸件和铸型的网络匹配。显然，目前用于铸件设计的几何造型技术处于初步阶段，立体模型和网络自动划分的结合使用可能是进一步发展的关键。2解析模型(STL)的建立过程（1）简单轮廓制作（2）零件完整模型（3）添加浇注系统（金属型）4）将文件保存为STL的格式。由于AUTOCAD无法直接保存为STL文件，需要通过导出将文件变为STL文件。3金属液充型过程的模拟与结果分析金属液充型过程模拟的步骤如下：（1）将模型导入模拟软件，通过预览查看该模型的大致状态，并设定模型的性质（铸型，铸件等）；（2）点击Offset将模型划分网格，并选择适当的精度，用Enmesh读入网格，检验模型是否完好，作必要的修补，（由于部分位置作图缺陷在次进行修补）设置Gate，并保存；（3）点击Parameter设置参数（流动过程，凝固过程的必要参数）并保存,本次铸件选择A356，为金属型铸造（iron），外层为空气（air）（4）点击MoldFilling实施流动过程模拟；5）导入流动方案，选择合适的视角，查看合金液充型情况，将过程生成动画，输出过程截图，刻入光盘。结果分析如下：铸件接口处的温度明显高于其他铸件位置，是存在的问题。由于接口处，浇道的直径比铸件的直径要大，导致金属液无法顺畅地流入铸件，而是不断地在接口处回流，致使充型过程不流畅。改进方案：减小浇道的直径，使其与铸件的直径相差尽量减小。 金属液从直浇道直泻而下，在铸件底部会产生一些卷气，造成金属内部缺陷，影响铸件性能。 改进方案：增加局部通道达到减小产生卷气的目的。4金属凝固过程的模拟与结果分析凝固过程模拟操作的步骤与金属液充型过程大致相同，只是需要导入凝固方案。结果分析如下： 整个凝固过程比较稳定，如图显示，此时为生成固相率为40.07%，铸件内部没有出现封闭环。 由图可知，此次凝固的最后位置在接口处，且没有形成缩孔，凝固的过程比较理想。5结论与体会 在工程上，计算机模拟给我们带来了很多的方便之处，它可以很好的服务于人类，也是社会向前发展的重要体现。此次计算机模拟我选的铸件是A356，A356合金为AlSi系多元合金，由于含硅量较高，AlSi共晶相以粗大的针状晶结晶，降低了力学性能，合金塑性很低，所以只有经过变质处理使共晶硅由粗针状细化成颗粒状，从而改善合金的力学性能。变质处理后，它具有良好的综合机械性能。参考文献1吴兴惠，项金钟.现代材料计算设计教程M.北京：电子工业出版社，2006.2龚曙光，罗显光.ANSYS基础应用及范例解析M.北京：机械工业出版社，2003.3廖常初.PLC基础及应用M.北京：机械工业出版社，2003.4ItsuoOhnaka,AkiraSugiyama,TakashiIkeda,HideyukiYasuda.MoldFillingandPreventionofGasEntrapmentinHigh-pressureDie-casting.材料科学技术学报：英文版,2008,24(1):139-140.5余伦A356合金力学性能的工艺研究湖南有色金属2004年20卷1期.6胡忠.材料加工过程计算机模拟的现状与未来J.塑性工程学报，1998，5（2）：1-8.7赵玉珍，史耀武等，铸件凝固过程组织计算机模拟研究动态J.金属成型工艺，2002（6）：53-56.8Spittle A,Brown R.Computer simulation of the effects of alloy variables on the grain structures of castingJ.Acta metal,1989,37(7):1083.9柳百成，周涛等，铸造工程的模拟仿真与质量控制M.北京；机械工业出版社.10崔海波，王承志，郑浩哲.铸造充型过程的FEM-MAC法数值模拟J.铸造设备研究，2002（3）：7-9.11Dolata-Grosz A., Dyzia M., leziona J.: Solidification and structure of heterophase composite, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 20 (1): 103106, 2007.12新山英辅，荆涛.金属铸造计算机辅助设计.现代铸铁，1992（3）：56-60.13Oldfield W.A Quantitative Approach to Casting Solidification Freezing of Cast of Cast IronJ.ASM Trans,1966,59:945-961.14杨弋涛凝固过程计算机模拟的基础与实践上海大学出版社，2003，12.15Dolata-Grosz A., Dyzia M., leziona J.: Solidification curves and structure of heterophase