（机械工程专业论文）magma分析软件在铝活塞铸造中的应用.pdf

y 6 5 43 3 8 m a g m a 分析软件在铝活塞铸造中的应用 机械工程领域 研究生：陈革指导教师：李伟李晓东 随着计算机技术的发展，铸造过程计算机数值模拟技术日臻成熟，为铸造行 业提供了一种新的工具和解决问题的途径。这项技术能帮助工程师优化铸造工 艺、改进设计方案，从而达到缩短试制周期、提高铸件质量及降低成本的目的。 本文使用德国m a g m a s o f t 铸造软件，对铝活塞铸件的铸造过程进行数值模拟，在 活塞模具实物制造之前做到事先优化产品铸造工艺，并根据优化后的结果，用 c a d c a m 系统快速设计和加工制造铝活塞铸造模具，并在此基础上生产铝活塞， 从而大幅度地缩短活塞的试制周期，节约生产成本，对企业产品质量的提高以及 成本的控制等，具有现实的科学和工程意义。 铝活塞铸造传统上采用金属型铸造成型，即将液态铝合金充填金属型型腔， 并在模具中凝固和冷却，从而得到活塞毛坯，其中包括了许多对铸件质量产生重 要影响的物理过程和现象。在以往的模具设计过程中，由于缺乏直接考察这一过 程的有效手段，对铝活塞铸造过程的认识主要靠设计人员的经验。这就不可避免 地造成模具结构不合理、铸件质量不稳定、铸造模具的设订周期长、成本高等不 利因素，有时甚至出现因事前设计考虑不周，导致原设计方案推倒重来的现象。 这样既增加了生产成本，又延长了试制周期，不能及时满足市场的要求。因此， 需要引入一种成熟可靠且易于使用的计算机软件工具，来克服由于铸造过程难以 直接观察而带来的对活塞铸造生产的种种不利影响。计算机模拟技术的发展，为 铸造工程师的快速设计提供了可能。通过流场、温度场等的计算，使用凝固判据 囊爱，。暂、等辫通褡 身，蠲交文公布 可以找到铸件的缺陷部位，采用相应措施改进工艺，再与c a d c a m 系统相结合， 能提高设计质量、缩短试制周期、提高产品质量、降低制造成本。 本论文通过对m a g m a 软件的应用得出如下结论： 1 、m a g m a s o f t 铸造分析软件对铸件充型过程的流场和温度场的模拟是准确的， 能有效预测因充型流动而引起的卷气、浇不足等缺陷。 2 、m a g m a s o f i 铸造分析软件对铸件的凝固过程模拟，以及对缩孔、缩松等缺 陷建立的判据，能准确预测铸件缺陷部位，帮助设计人员改进铸造模具结构 和铸造工艺，提高铸件质量。 3 、铸造过程计算机模拟技术只臻成熟，铸造技术正在由经验型向科学理论型转 变。 4 、通过c a d c a e c a m 系统的集成，能大幅缩短产品试制周期、降低生产成本、 提高产品质量。 关键词：m a g m a s o f t 铝活塞充型凝固数值模拟工艺优化 i i a p p l i c a t i o n o fm a g m a s o f ti n t o m a n u f a c t u r i n g o fa l u m i n i u mp i s t o n si nf o u n d r y p r a c t i c e m a j o r ：m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：c h e ng ea d v i s e r ：l iw e ia n dl ix i a o d o n g a l o n gw i t h t h e d e v e l o p m e n t o t zc o m p u t e rs c i e n c ea n d e g i n e e r i n g ，t h e t e c h n o l o g y o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rc a s t p r o g r e s s i sb e e nu s e d w i d e l y o f f e r i n gan e w t o o la n ds o l u t i o nm e t h o df o rf o u n d r yi n d u s t r y f o u n d r ye n g i n e e r s c a no p t i m i z et e c h n i c s ，i m p r o v ed e s i g ns c h e m eb yt h i st e c h n o l o g y , t h e r e b yc a l l o b t a i nt h ea i m so fs h o r t e n i n gt h et r a i l p r o d u c ec y c l ，e n h a n c i n gt h eq u a i l t ya n d r e d u c i n g t h ec o s to ft h e c a s t i n g s t h i ss t u d y j n t r o d u c e sa n e x p e r i m e n t o f n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o u n d r y p r o c e s s o na l u m i n i u m p i s t o nc a s t i n g sb y m a o m a s o f l b yt h i s m e a n st h e f o u n d r yt e c h n i c s o ft h e p r o d u c t s c a r lb e o p t i m i z e dp r i o rt o t h ep i s t o nm o u l dp r a c t i c a l i t y f a b r i c a t e d a c c o r d i n gt ot h e r e s u l t st h a th a v eb e e no p t i m i z e d ，t h em o u l d sf o ra l u m i n i u m p i s t o nc a s t i n g sc a n b er a p i d l yd e v i s e da n dm a n u f a c t u r e db vc a d c a ms y s t e m s o nt h eb a s i so f t h e s e ，t r a i l - m a n u f a c t u r ep e r i o do ft h ep i s t o nm o u l dc a r lb eg r e a t l ys h o r t e n e da n d t h ec o s tc a na l s ob eo b s e r v a b l yc u to f f i ti ss i g n i f i c a n tf o rt h ee n t e r p r i s e st o i m p r o v et h eq u a l i t y a n dr e d u c et h ec o s to f t h e o h t p u t t r a d i t i o n a l l y , m e t a lm o u l d sa r eu s e dt op r o d u c ea l u n f i n i u mp i s t o nc a s t i n g s n a m e l y , t i m1 i q u i d a l u m i n i u m a l l o y s a r ef i l i e d i nt h em e t a lm o u l da n d s u b s e q u e n t l yc o o l e dd o w n a n ds o l i d i f i c a t e di nt h em o u l d ，f r o mw h i c ht h ep i s t o n r o u g h c a s ti sm a d e i ti n c l u d e sm a n yp h y s i c a lp r o c e s s e sa n dp h e n o m e n at h a t m a k ec r u c i a li n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s p r e v i o u s l y , d u et oi a c ko f e f f e c t i v em e a s u r et od i r e c t l yr e v i e wt h ec o u r s eo fp a t t e r nd e s i g n s ，t h ek n o w l e d g e a b o u t f o u n d r yp r o c e s s o fa l u m i n i u m p i s t o n s i s m o s t l yd e p e n d e d o nt h e e x p e r i e n c eo f t h ed e v i s e r s t h i si n e v i t a b l yl e a d t om a n g d i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r s ， s u c ha sf a l l a c i o u sf r a n eo ft h em o u l d u n s t a b l ec a s tq u a l i t y ，l o n g e rp e r i o do f n m u l d d e s i g na n dh i g h e rc o s t ，e t c i nt h i sw a y , n o to n l yt h ec o s to f t h ep r o d u c ti s i n c r e a s e d b u ta l s ot h et r a i l p e r i o di sp r o l o n g e ds ot h a ti tc a n n o tm e e tt h en e e do f t h em a r c k e ti nt i m e t h e r e f o r e i th i g h l yn e e d st oi n t r o d u c eam a t u r ea n dr e l i a b l e c o m p u t e r s o r w a r et o o it h a ti s e a s y t ou s et oo v e r c o m e a v a f i e t y o f d i s a d v a n t a g e o u sf a c t o r sc a u s e db yt h ed i f f i c u l t yo fd i r e c t l yo b s e r v a t i o no f t h e i i i f o u n d r yp r o c e s s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i ti s p o s s s i b l ef o rt h ef o u n d r ye n g i n e e r st od e s i g nan e wm o u l di ns h o r tt i m e t h e d e v i s eo rp r o d u c tq u a l i t yc a nb ei m p r o v e da n d t r a i l p e r i o dc a na l s ob es h o r t e n e d b yc a l c u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wf i e l dw h i c ha r ec o m b i n e dw i t h c a d c a ms y s t e m b e c a u s es o l i d i f i c a t i o nc r i t e r i o nh e l p st of i n do u tt h el a c u n a p o s i t i o n o ft h e c a s t ，e n g i n e e r s t a k e c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e t o i m p r o v et h e t e c h n i c s b ya p p l i c a t i o no fm a g m as o f t w a r e ，t h er e s u l t sa r es h o w n a sf o l l o w s ： 1 i ti sp r e c i s et os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ea n dt h ef l o wf i e l dd u r i n gp e r i o do f f i l l i n g i nt h em o u l db ym a g m a s o f f i tc a ne f f i e n t l yf o r e c a s tt h el a c u n a c a u s e db y f i o w a g e i nt h em o u l d ，s u c ha sg a s ，d e f i c i e n c y , e t c 2 u s i n gm a g m a s o f t ，c a s tl a c u n ap o s i t i o n c a n a c c u r a t e l y b el o c a t e d b y s i m u l a t i o no ft h ec a s tp r o c e s s ，w h i c hh e l p st h ec a s td e v i s e r st oi m p r o v et h e c a s tm o u l df r a m ea n dt e c h n i c s ，s oi t h e l p st o i n c r e a s et h e q u a l i t yo ft h e p r o d u c t s 3 w i t ht h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nb e i n gm o r em a t u r e ，t h ef o u n d r y t a c h n i q u ei se v e rc h a n g i n gf r o mt h et y p eo fe x p e r i e n c et ot h a to f s c i e n t i f i c t h e o r y 4 b yi n t e g r a t i n g t h ec a d c a e c a ms y s t e m ，i ti s p o s s i b l e t os h o r t e nt h e t r a i l - p e t i o d ，r e d u c i n g t h ec o s ta n d i m p r o v i n g t h eq u a l i t yo f t h e p r o d u c t k e y w o r d ：m a g m a s o f t ；a l u m i n i u mp i s t o n ；f i l l i n g ；s o l i d f i c a t i o n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；c p t i m i z et h ec r a f t 。 i v 四川大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 随着计算机技术的发展，铸造过程计算机数值模拟技术日趋成熟， 为铸造行业提供了一种新的工具和解决问题的途径。这项技术综合利用数 值分析技术、可视化技术、传热学、流体力学及金属凝固理论对铸造过程 进行流场、温度场模拟仿真，并根据模拟结果对铸件的缺陷部位进行预测， 帮助工程师优化铸造工艺，改进设计方案，从而达到缩短试制周期、提高 铸件质量及降低成本的目的。本文将德国的m a g m a 铸造分析软件应用于铝 活塞铸造过程的数值模拟，通过m a g m a 软件的分析，在活塞模具实物加工 之前就优化和改进铝活塞的模具结构和铸造工艺，根据优化后的结果，用 c a d c a m 系统快速地设计和制造铝活塞铸造模具，大幅度缩短了活塞的试 制周期，节约了生产成本，为客户及时提供质量更可靠的铝活塞产品。 铝活塞的铸造采用金属型铸造形式，即将液态铝含金充填金属型型 腔，并在其中凝固和冷却，从而得到活塞毛坯，其中包括了许多对铸件质 量产生重要影响的物理过程和现象。在以往传统的模具设计中，由于缺乏 直接考察这一过程的有效手段，对活塞铸造过程的认识主要靠设计人员的 经验积累，包括铸造模具结构和铸造工艺方案制订在内的许多工作都全靠 经验，这就不可避免地造成模具结构设计不合理，铸件质量不稳定，铸造 模具的设计周期长、成本高等不利因素，有时甚至出现因设计考虑不周， 在试浇模具后铸件废品率很高，导致设计方案推倒重来的现象，这样既增 加了生产成本，又延长了试制周期，不能适应市场的需要。因此，需要引 入一种成熟可靠又易于使用的工具，来克服由于铸造过程难以直接观察， 而带来的对活塞铸造生产的种种不利影响。计算机模拟技术的应用，为铸 造工程师的设计提供了一种新的工具。通过流场、温度场的计算，使用软 件的判据功能可以预测铸件的缺陷部位，采取相应措施改进铸造工艺，再 与c a d c a m 系统相结合，能提高设计质量、缩短试制周期、提高产品质量、 降低成本。 1 2 c a d c a m 简介 四川大学工程硕士学位论文 1 2 1c a d c a m 发展简介 计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dp r o c e s sd e s i g n ) 简称c a d 和计 算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 简称c a m 是6 0 年代以 来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术。计算机辅助设计和 制造，简称c a d c a m ，指的是以计算机作为主要技术手段，处理各种数字 信息与图形信息，辅助完成产品设计和制造中的各项活动。 计算机辅助设计和计算机辅助制造关系十分密切。开始，计算机辅助 几何设计和数控加工自动编程是两个独立发展的分支。但是随着它们的推 广应用，二者之间的相互依存关系变得越来越明显了。设计系统只有配合 数控加工，才能充分显示其巨大的优越性。另一方面，数控技术只有依靠 设计系统产生的模型才能发挥其效率。所阻，在实际应用中二者很自然地 紧密结合起来，形成了计算机辅助设计与制造集成系统。通常，c a d c a m 系统指的就是这种集成系统。在c a d c a m 系统中，设计和制造的各个阶段 可利用公共数据库中的数据。公共数据库将设计与制造过程紧密联系为一 个整体。数控自动编程系统利用设计的结果和产生的模型，形成数控加工 机床所需的n c 代码，并控制数控机床加工出产品。 c a d c a m 技术随着计算机硬件和软件技术的迅速发展日趋完善，在机 械、电子、宇航和建筑等部门得到广泛应用。c a d c a m 技术使产品的设计 制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键 技术，被人们称为产业革命的发动机。在工业发达国家，c a d c a m 已经形 成了一个推动各行业技术进步的、具有相当规模的新兴产业部门。 1 2 2c a d c a m 发展趋势 1 )集成化 8 0 年代后期，并行工程的方法受到广泛的重视。并行工程是一种以 集成的、并行的方式设计产品及其相关过程的系统方法。这种方法使产品 开发人员，从一开始就考虑产品从要领形成，到报废处理的整个生命期中 的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求等各个方面。并行工程赋 予c i m s 信息集成新的内容，是c i m s 的一种有效的优化运行模式。并行工 程也将对c a d c a m 技术的发展产生重大影响。 四川大学工程硕士学位论文 2 ) 微型化 c a d c a m 正转向采用超级微型计算机。超级微型计算机在单枫功能上 将达到小型机和中型机的水平，多c p u 并行处理机的功能将达到大型机的 水平。以超级微机为基础的c a d c a m 系统不断增多，功能也在不断扩大。 3 )网络化 微型计算机c a d c a m 系统发展的一条主要途径是网络化。由于微型机 价格低廉，功能较强，可将多台微机工作站连成分布式c a d c a m 系统。在 分布式系统中，客户朋艮务器( c i i e n t s e r v e r ) 结构得到普遍采用，这种 结构中，一台服务器可为多台工作站提供服务。分布式c a d c a m 系统结构 灵活，功能强。每台工作站可以单独使用，也可以联合使用。整个网络还 可与大型机、巨型机相连，以解决更复杂的问题。 4 )智能化 设计制造全部自动化固然理想，但在今天还只能是一个追求的目标， 近期难以实现。人工智能技术是通向设计制造自动化的重要途径。近年来， 人工智能的应用主要集中在引入知识工程发展专家系统。专家系统的发展 可扩大c a d c a m 的功能，有利于创造更高级的c a d c a m 系统。 5 )最优化 产品设计和工艺过程设计的最优化始终是人们追求的目标，采用传统 的方法设计模具的可靠性较差。目前，大多数模具c a d c a m 系统中使用的 设计方法和手工设计时的方法基本相同，系统采用交互方式运行，当遇到 一些复杂问题时，由设计人员加以选择和判断。因此，模具的可靠性仍然 存在问题，难以保证一次成功。 发展塑性成形过程的计算机模拟技术是解决模具可靠性问题的重要 途径。利用有限元和边界元等方法分析塑性成形过程及模拟材料的流动， 从而可以检验设计的模具是否可以制造出合乎质量要求的产品。用计算机 模拟技术检验设计结果，排除不可行方案，有助于获得较佳的设计，提高 模具的可靠性。现在已研究出模拟平面应变和轴对称变形的分析软件。发 展三维流动的模拟技术仍是一个值得大力研究的课题。只有当完全能够模 拟塑性成形过程的时候，模县c a d 的优越性才能得到完全的发挥。 6 ) 新型化 四川大学工程硕士学位论文 用于c a d c a m 的新型外部设备将不断问世。作为计算机外部存储器的 磁盘将被存储密度为几百倍甚至几千倍的光盘所代替。其他外部设备，如 图形输入装置、声音识别装置、视觉追踪装置和激光打印机等，也将迅速 发展，日新月异。 1 2 3 模具c a d c a m 的发展概况 随着工业技术的发展，对模具的要求愈来愈高。传统的模具设计与制 造方法不能适应工业产品及时更新换代和提高质量的要求。因此，国外先 进工业国家对模具c a d c a m 技术的开发非常重视。早在6 0 年代初期，国 外一些飞机和汽车制造公司就开始了c a d c a m 的研究工作，投入了大量人 力和物力。各大公司都先后建立了自己的c a d c a m 系统，并将其应用于模 具的设计与制造。 这些公司采用模具c a d c a m 技术的主要理由是： 1 )利用几何造型技术获得的几何模型，可供后续的设计分析和数控编程 等方面使用。 2 )可以缩短新产品的试制周期，例如在汽车工业中，可缩短模具的设计 制造周期。 3 )提高产品质量的需要，如汽车车身表面等形状，需要利用计算机准备 数据和完成随后的制造工作。 4 )模具制造厂和用户对c a d c a m 的需要增加，例如，利用磁盘进行数据 传送，用户要求模具制造单位能够交换信息和处理这些数据。 5 )模具加工设备的效率不断提高，需要计算机辅助处理数据，以提高设 备利用率。 6 )在企业中建立联系各个部门的信息处理系统。 模具c a m 在国外应用较广，计算机控制的数控机床加工模具约 2 0 一3 0 。此外，加工中心( m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 已广泛用于模具 制造。一般说来，c a m 比c a d 的应用更为广泛。 模具c a d c a m 的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和 广泛应用。无论在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳 动强度方面，c a d c a m 技术的优越性是传统的模具设计制造方法所不能比 四川大学工程硕士学位论文 拟的。 1 2 4 几种主要c a d 软件的比较 9 0 年代以来，c a d 技术基础理论主要是以p t c 的p r o e n g i n e e r 为代 表的参数化造型理论和以s d r c 的i - d e a s 为代表的变量化造型理论 1 。 目前市面上的三维c a d 软件主要有s d r c 公司的i d e a s ，e d s 的 u n i g r a p h i c s ，p a r a c e t r i ct e c h n o l o g y 公司的p r o e 和s o l i dw o r k s 等。 1 )p r o e n g i n e e r 的主要特性 2 ： p r o e n g i n e e r 是以参数化理论为基础的3 d 设计软件。参数设计是用 一组参数来定义几何图形( 体素) 尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计 者进行几何造型使用。 参数化造型的主要技术特点是： a 约束( c o n s t r a i n t ) ：约束的概念是利用一些法则或限制条件来规 定构成实体的元素之间的关系。 b尺寸驱动原理：通过约束推理确定需要修改某一尺寸参数时，系 统自动检索出此尺寸参数对应的数据结构，找出相关参数计算的方程组并 计算出参数，驱动几何图形形状的改变。 c 数据相关：尺寸参数的修改导致其他相关的模块中的相关尺寸得 以全盘更新。 d 基于特征的设计：将某些具有代表性的平面几何形状定义为特征， 并将其所有尺寸存为可调参数，进而形成实体，以此为基础来进行更为复 杂的几何形体的构造。 参数设计的基本步骤是：用户给定几个参数，系统根据这些参数解算 结果并绘图。 2 )a u t o c a d 软件 3 ： a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公司开发的交互式辅助设计软件。其主要功 能有： a 绘图功能：a u t o c a d 提供了创建直线、圆、曲线、面等多种图形功 能。 b 精确定形定位功能；a u t o c a d 能够创建出精确位置、精确形状和精 四j i l 大学丁程硕士学位论文 确大小的图形对象。 e 编辑和修改功能：可以利用已经存在的基本图形生成更加复杂的图 形。 d 三维造型功能：可以生成基本的三维模型、布尔运算、三维编辑等 功能。 但a u t o c a d 主要用来做二维工程图，三维造型不是它的强项。 3 )i d e a s 软件特色： i d e a s ( i n t e g r a t e dd e s i g ne n g i n e e ra n a l y s i ss o f t w a r e ) 集成工 程设计分析软件是美国s d r c ( s t r u c t u r a ld y n a m i c s r e s e a r c h c o r p o r a t i o n ) 公司的代表产品，它是世界工程界最流行的c a d c a e c a m 软件之一。 i d e a s 基于变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。其 主要技术特点是： a 几何约束( g e o m e t r yc o n s t r a i n ) ：变量化技术在参数化的基础上 又做了进一步改进后提出的设计思想。 b 工程关系( e n g i n e e r i n gr e l a t i o n s h i p ) ：工程关系如：重量、载 荷、力、可靠性等关键设计参数，在参数化系统中不能作为约束条件直接 与几何方程联立求解，需要另外的手段处理。 c v g x 技术( v a r i a ti o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ，超变量几何) ：v g x 是 变量化技术发展的个里程碑。设计过程，从来都是一个不断改进、不断 完善的过程，也可以说设计就是灵活的修改。 d 动态导航技术( d y n a m i cn a v i g a t o r ) ：动态导航技术利用从工程制 图标准抽象中出来的规则预测下一步操作的可能，大大方便了操作。动态 导航技术的另一功能是光标到达图形的一些特征位置时，屏幕上会自动出 现相应的信息以利于设计者进行设计。 e 特征管理历史树：参数化技术在整个造型过程中，将所构造的形 体中用到的全部特征按先后顺序串联式排列，这主要是检索方便。 f 主模型技术( m a s t e rm o d e l ) ：s d r c 在i d e a sm a s t e rm o d e l 采用 了主模型技术，这是变量化技术的基础。 g 装配设计和管理：装配设计( a s s e m b l yd e s i g n ) 是指系统同时完成 硼川大学工程碗l 学位论文 产品装配部件的设计。 i d e a s 核心造型是一个高性能的三维设计系统，并且它是i d e a s 其 它应用模块基础和核心。可以利用由它产生的几何模型，方便地进行有限 元分析、二维绘图和加工等处理。可以把用户界面和菜单调整到最容易学 习和使用的环境中来进行复杂机械零件的设计。基于特征的变量化实体造 型系统可以帮助设计者轻而易举地创建几何模型，而且非常容易地进行修 改。依据几何模型能自动删除隐藏线、直接计算零件的物理属性，以及对 零件进行精确几何定义。 以上几种c a d 软件各有特点，通过分析比较，我们选择了s d r c 的 i - d e a s 用于活塞模具的c a d c a m 设计。 实施过程是：活塞产品图一活塞毛坯图一活塞毛坯及浇冒系统3 d 建 模一活塞铸造模具3 d 建模。 在i d e a s 中将建立的活塞毛坯、浇冒口系统及活塞铸造模具的三维 模型快速生成s t l 文件格式，以供m a g m a 软件分析使用。 l 。3 铸造过程数值模拟的研究现状及发展趋势 1 3 1铸造过程数值模拟的发展简介 铸造仿真系统是一个以铸件充型、凝固和冷却过程数值模拟技术为基 础，结合数值分析技术、数据库技术和可视化技术，模拟铸件充型、凝固 和冷却过程中的流场、温度场和应力场的分布情况，并根据这些数据场的 分布对铸件质量进行预报的系统 4 5 ，是改造传统铸造产业的必由之 路。采用铸造工艺凝固进程数值模拟的方法，进行铸造工艺的优化，是现 代热加工过程中通常采用的方法 6 1 1 7 1 1 8 】。经过多年的努力，铸件充型凝 固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用阶段，铸造生产正在由经验型 走向科学型转变。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助设计人员对铸 件可能出现的各种缺陷及其大小、部位进行有效的预测，在浇注前采取对 策以确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成本。 1 )国内外研究与开发简介 9 1 0 铸造工艺c a d 及凝固过程模拟涉及计算机辅助绘图，计算机辅助工艺 及工装设计及凝固过程模拟分析( 简称为c a e ，c o m p u t e ra i d e d 四j i i 大学工程硕士学位论文 e n g i n e e r i n g ) 三方面主要内容。 国外商品化软件的研究与开发主要集中在凝固过程模拟分析软件部 分，主要是因为这部分内容通用性强，可应用在多种合金、不同形状及多 种铸造工艺的铸件，因而有利于软件的通用化及商品化。 。 凝固过程数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代，从最初的温度场模拟到流动 场模拟、应力场模拟及组织模拟，从简单的二维模拟到复杂的三维模拟 1 2 1 3 1 4 1 5 。经过多年的努力，由于在以下三方面取得了重要突破， 商品化软件才变为现实。即( 1 ) 具有能处理三维复杂形体的图形功能； ( 2 ) 硬件及软件费用大幅度降低到铸造工厂能够接受的水平：( 3 ) 计算 机操作系统及软件对用户友好( u s e rf r i e n d l y ) ，一般铸造工程技术人员 稍加培训就可独立操作运行。 1 9 8 9 年，世界上第一个铸造c a e 商品化软件在德国第7 届国际铸造博 览会上展出，它以温度场分析为核心内容，这就是由德国a a c h e n 大学s a h m 教授主持开发的m a g m a 铸造分析软件。 9 0 年代以来，铸造c a e 软件功能逐渐增加。其中德国的m a g m a ，法国 的8 i m u l o r 及日本的s o l d i a 等软件都增加了三维流场分析功能，大大提 高了模拟分析的精度，但主要都在工作站上运行。铸件三维应力场问题复 杂，由于当时对铸件应力场本质问题认识不足，算法难度也大，难以在微 机上运行。 目前，德国m a g m a 软件等已具有三维应力场分析功能。原采用f d m f e m 结合的技术路线，其中f e m 软件采用与国外商品化有限元软件集成的方 法，现正改用全部f d m 技术。国外铸造c a e 商品化软件的功能一方面正向 低压铸造、压力铸造及熔模铸造等特种铸造方面发展，另外一方面又正从 宏观模拟向微观模拟发展，其中美国的p r o c a s t 及德国的m a g m a 软件己增 加球墨铸铁组织中石墨球数及珠光体含量的预测功能。在这方面国内虽起 步较晚，但进展迅速，目前国内开发的铸造分析软件的部分功能已与国外 软件相当，以可满足铸造工厂的一般需要。 2 )铸造充型凝固过程数值模拟 1 6 1 7 1 8 1 9 充型与传热过程模拟的算法主要有两种：一类是基于有限差分法，例 如m a c 、s m a c 、p a n t a n k e r 和s o l a v o f 法等；另一类是有限元法 四j i j 大学工程硕士学位论文 【2 0 2 1 2 2 ，有限差分法是一种较简单且易于理解的算法，其缺点是处理 剖分网格单元不够灵活；有限元法计算比较复杂，但剖分单元灵活，对处 理复杂铸件有优势。 a 几何造型与有限差分网格剖分 在进行铸造过程数值模拟时，首先要解决的问题之一是将c a d 平台产 生的铸件、铸型等的几何模型进行计算单元划分，这是数值分析的前提。 国内外研究人员及用户在微机上都选用a u t o c a d 建立几何模型，而在工作 站上则采用通用的商品化软件包，如p r o e ，i d e a ，s c a d d s 5 及带有s t l 文件格式的模块，可以方便地选用s t l 输出格式作进一步的有限差分网格 划分。 b 铸件充型过程的数值模拟 铸件充型过程在铸造生产过程中起着重要作用，许多铸造缺陷，如卷 气、夹渣、缩孔、冷隔等都与充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方 式以获得优质铸件，对充型过程进行数值模拟很有必要。其研究多数以 s o l a v o f ( s o l u t i o na l g o r i t h m ) 法为基础，引入体积函数( v o l u m eo f f u n e t i o n ) 处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方面进行研究改进。 有的研究在对层流模型进行大量的实验验证之后，用k - e 双方程模型模 拟铸件充型过程的紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行算法、三维有限单元法、三维 有限差分法、数值方法与解析方法混合算法等，但是直到现在仍然没有找 到最好的算法，这些算法各有优劣，应用的侧重点各不相同。 现在常用的网格是矩形单元( 2 d ) 或正交的平行六面体单元( 3 d ) 。 不过，日本的i o h n a k a 等提出了一种新的网格划分方法，即无结构非正 交网格。这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之。 c 控制方程 控制方程包括质量、动量、能量、体积函数及k e 方程，其通用形式 为： 四j i i 丈学工程硕士学位论文 昙伽) 4 - 兰咖妒) + 晏b 矽) + 兰卅) 讲凹卯出 = 昙一罢) + 茜( 。考) + 鲁一老 + 彤 式中西一通用应变量 l 一输运系数 s 。一源项 对上述控制方程进行有限差分离散之后，先用s o l a 方法求解层流方 程组，再解k - e 议程，以便得到u 。的初始分布，然后再求解紊流控制方 程组。 1 9 9 5 年英国伯明翰大学公布了他们设计的铸件充型流场数值模拟软 件以及以实验件为算例的模拟计算结果和浇注试验的测试验证结果。该试 验的目的就是为了检验数值模拟模型及程序的正确性，已有九家国外研究 机构利用各自的数值模拟程序模拟计算了此铸件的充型过程，并对模拟结 果和实验结果进行了比较。 3 )温度场数值模拟及收缩缺陷预测 铸件凝固过程数值模拟是铸造c a d c a e 的核心内容，其最终目的是优 化工艺设计，实现铸件质量预测。其中，在温度场模拟的基础上进行缩孔、 缩松的预测是其中一项重要内容。 传热计算多采用三维有限差分方法。能量方程表达如下： p c p 百a t = 毒卜篆卜 铸钢件的缩松判据可采用g r ，并将其由二维扩展到三维进行缩松 形成的模拟，而且采用新的定量等效液面收缩量法来预测一、二次缩孔的 形成。球墨铸件则可采用动态收缩膨胀累积法( d e c a m ) 预测缩孔 2 3 。 过共晶球铁件在t 时间内体积变化的总叠加量为： 口v = v m + v c p + v 。+ v + v 。e v 。一单元体i ( 以下同) 液态体积收缩量 v i 。，一析出初生石墨的膨胀量 四川大学工程硕士学位论文 v 。一析出共晶石墨的膨胀量 v 。一析出共晶奥氏体的收缩量 v 。一体积胀大及位移所导致的体积变化量 对于同时存在多个补缩域的铸件，则采用多热节法预测缩孔、缩松方 法，即对铸件凝固过程中同时存在的多个补缩域进行判别，并将其为多个 熔池孤立域，在每个孤立域中利用上述方法预测缩孔、缩松。 目前，这些缩孔、缩松定量预测的方法已经在铸造厂得以应用，并取 得了令人满意的结果。 4 ) 应力场的模拟 铸造过程应力场的模拟计算能够帮助铸造工程师预测和分析铸件裂 纹、变形及残余应力，为控制应力应变造成的缺陷、优化铸造工艺、提高 铸件尺寸精度及稳定性提供科学依据。 国外有关铸件应力分析及变形模拟研究的主要特点是 2 4 ：( 1 ) 多数 采用热一力耦合的模型来模拟铸件凝固过程中的物理过程变化现象，包括 传热、传质、应力及缺陷形成等。许多研究是先预测铸件中的应力及砂型 和铸件的气隙，并由此计算界面热阻，反过来再进行热分析。还有一些研 究是把热分析、流体流动和应力分析等结合起来，同时进行模拟充型过程、 预测变形、预测缩孔、预测热裂及应力分析和残余应力的计算。( 2 ) 应力 分析采用的模型有热弹塑性模型、热弹粘塑性模型、热弹粘塑性及弹性一 理想塑性模型等。这些模型都属于热弹粘塑性的范畴。采用的模拟方法多 为有限元法，也有人采用有限体积法、控制体积有限差分法等。关于热一 力耦合分析的许多研究都采用商品化的软件包如a b a q u s 、c a s t s 、a n s y s 及p h y s i c a 等。关于应力分析中边界条件的改进，由于砂裂和铸件之间力 的相互作用，而且砂型并非刚性，因此多采用接触单元算法。 在国内，大连理工大学及清华大学均进行了这方面的研究 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 。在对铸造应力进行模拟分析时，由于应力变形做 功引起的热效应同温度变化和凝固潜热释放的热效应相比可忽略不计，故 一般铸造过程的热分析和应力分析可单独进行，只需将温度变化的数据转 化为温度载荷加入应力解析中即可。为了充分利用现有的凝固模拟技术成 果，使f d m 在温度场模拟等方面方便快捷的优势及f e m 的应力场模拟功能 四川大学工程硕士学位论文 都能得到充分发挥，利用已经成熟的f e m 软件走集成技术的道路。 5 ) 铸件的微观组织模拟 微观组织模拟方法，目前的凝固微观组织模拟方法大致分为确定性 方法和随机性方法。确定性模型的建立往往依据经典形核和技晶生长理 论，被应用于微观组织模拟的晶粒长大确定性模型主要有o l d f i e l d 提出 的共晶合金的晶粒长大速率模型和d u s t i o n 、r a p p z 和k u r z 等提出的枝晶 生长动力学模型 3 0 3 1 。2 0 世纪8 0 年代，提出了相场法。这种方法引 入相场变量击，考虑有序化势与热力学驱动力的综合作用来建立相场方 程，其解可描述固液界面和的形态和界面的移动，从而避免跟踪复杂固液 界面，在美国、日本、德国和韩国等国家都有多个机构从事该方向的研究， 有力地促进了相场法的发展 3 2 3 3 3 4 3 5 ，国内相场法的研究起步较 晚，但已取得较大进展 3 6 3 7 。 微观模拟是一个较新的研究领域，通过计算机模拟来预测铸件微观组 织形成，进而预测铸件的力学性能和工艺性能，最终控制铸件的质量。微 观模拟虽然是个较新的领域，但己取得了显著进展，现在已能够模拟枝晶 生长，共晶生长，柱状晶与等轴晶转变等合金微观组织变化。微观组织形 成的模拟可分为三个层次：可以分毫米、微米或纳米量级。宏观量如温度， 速度，变形等，可以利用相应的方程计