材料成型CAE复习.doc

题 型一、名词解释 本题5小题，每题3分，共15分二、选择题 共5题；每小题2分，共10分三、填空题 本题共15空，每空1分，共15分四、简答题 本题4小题，每题10分，共40分 五、论述题 共1题，本题20分暂定第20周周二晚上，18:00-19:30，专业英语考试周三晚上,18:00-19:30，材料成型CAE技术及应用A 考试具体地点另外通知。复习重点内容如下。铸造模拟软件部分主要看这几页资料，塑料模拟软件要根据我提的重点，复习教材中相关内容。第一章CAE概念、应用、发展历史及发展趋势一、介绍本课程的主要内容。1、CAE技术概述；2、铸造CAE研究概况；3、铸造成形数值模拟的原理；4、CAE的前期准备；5、Anycasting软件的使用。二、介绍CAE技术CAD、CAE、CAM等技术在铸造领域已得到广泛的应用，并已成为铸造学科的技术前沿和最为活跃的研究领域。它们分别指计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）、计算机辅助制造CAM。1、计算机辅助设计CAD：是以计算机为主要手段来辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化、信息输出等全部任务的综合性高新技术。它的主要研究内容包括造型技术、优化设计、综合评价和信息交换等方面。造型技术：以各种数字化的图形来表达设计方案，在解决了二维图形问题之后，目光集中在三维的图形技术方面，曲面造型、实体造型、特征化造型、参数化设计等。优化分析：在工程设计中要进行各种分析，包括力学、传热学、流体力学等。现在可以把各种优化分析的专用软件集成到计算机辅助设计系统中去，使设计者在设计的同时进行充分地分析、优化所设计的方案。综合评价：先进的CAD软件提供分块、分层、剖切功能，三维CAD系统具备的实时旋转、缩放功能，使设计者感觉就像是面对完全真实的物体，可以剖视他们的内部结构，进行各种校验和评价。也可以仿真各个零件的装配过程，给出准确的装配关系，自动检测干涉情况，为设计方案的修改提供准确的指导。信息交换：CAD与CAD之间、CAD与CAE、CAD与CAM之间可以进行信息沟通和资源共享。2、计算机辅助工程CAE，主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性、知识密集型的学科。又称模拟仿真技术。主要是通过构造能够准确描述研究对象的某一过程或属性的数学模型，利用合适的求解方式，设置合理的边界条件和初始条件，得到研究对象的某一过程或属性的求解结果。预测可能产生的问题和发展趋势，提出科学、合理的对策、建议、方法。主要研究内容有：有限元分析：用有限元对产品结构的静态特性、动态特性、强度、振动、热变形、磁场强度、流场等进行分析和研究，改进产品设计、优化工艺方案。模拟仿真：通过建模、求解、分析，模拟实际过程，优化产品设计和工艺方案。模拟仿真方法有有限差分法，边界元法等。优化设计：用参数优化法进行方案优选。三维运动机构的分析和仿真：对机构的运动参数、运动轨迹、干涉校核进行研究，为人们设计机构时提供直观的、可以仿真或交互的设计技术。3、计算机辅助制造CAM：利用计算机对制造过程进行设计、管理和控制，包括工艺设计、数控编程和机器人编程等内容。工艺设计主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备。只要将铸件图样、铸型材料、铸造合金热物性参数、凝固特性及数学模型等输入计算机，即可计算出合理的浇冒口系统。运用相应的数值模拟技术可对设计的工艺进行屏幕试浇，模拟铸件凝固过程，预测凝固缺陷、微观组织、残余应力；再利用先进的图像显示技术对屏幕试浇结果做逼真的三维图像显示，对缺陷位置、程度进行全面的评估，从而提出工艺改进措施，进行新一轮工艺设计优化、屏幕试浇、工艺校核。CAD、CAE、CAM的综合利用，可以从全局出发，优化产品设计、提高产品质量、缩短制造周期。CAE工程分析是现代装备制造业中的一项重要内容，也是现代设计和制造领域内必不可少的关键步骤，一般在CAD之后，CAM之前进行。铸造成型CAE一、什么是铸造成型CAE铸造成型CAE是基于有限分析（有限元及有限差分技术）的模拟优化技术，包括充型过程模拟、凝固过程模拟、应力应变分析、微观组织模拟等，为制定合理的铸造工艺提供有力的指导。二、数值模拟的步骤是：1、分析实际问题，建立能反映此问题的物理模型2、根据物理模型找出支配过程的主要参数并建立能描述实际过程的基本方程或数学模型3、寻求说明此实际过程的各项单值条件，如几何条件、物性条件、初始条件、边界条件等4、将基本方程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理，使之形成一系列的微小单元或节点5、 在所有单元上建立由基本方程及定解条件转换而成的数值计算方程组6、 选用适当的计算方法求解方程组7、 结果处理成各种数据、图形或其他文件三、常用的数值计算方法有限元法（Finite Element Method，FEM）；有限差分法（Finite Difference Method，FDM）边界元法（Boundary Element Method，BEM）；直接差分法（Direct Finite Difference Method，DFDM）。铸造CAE最常用的是有限差分法和有限元法。有限差分法一般用于充型凝固模拟，有限元法常用于压铸模具的力学分析和结构设计。1、边界元法【定义】将力学中的微分方程的定解问题化为边界积分方程的定解问题，再通过边界的离散化与待定函数的分片插值求解的数值方法 【特点】边界元法通过选择合适的权函数使其中体积积分项为零，将问题转化成仅仅对边界进行线积分，意味着将实际问题降低一维来处理；对网格划分没有严格限制；对于稳态问题甚至无须处理内部区域，只须对边界进行分割即可；但边界元法的公式推导及运算过程都比较复杂，计算工作量也较大。尤其对非稳态问题，内部区域仍须网格划分。【应用】对于边界变量变化梯度较大的问题 ，如应力集中问题 ，或边界变量出现奇异性的裂纹问题，边界元法被公认为比有限元法更加精确高效。由于边界元法所利用的微分算子基本解能自动满足无限远处的条件，因而边界元法特别便于处理无限域以及半无限域问题。2、有限元法有限元的基本概念：有限元法的实质就是将一个无限的连续体理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题，且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能趋近于真实解。（1）【特点】节点可任意配置，边界适应性好；适应任意支撑条件和载荷；计算精度与网格疏密和单元形态有关，精度可控；离散算法复杂，对硬件的要求高。（2）【中心思想】将一个连续求解域（对象）离散（剖分）成有限个形状简单的子域（单元），利用有限个节点将各子域连接起来，使其分别承受相应的等效节点载荷（如应力载荷、热载荷、流速载荷等），并传递子域间的相互作用；在此基础上，借助子域插值函数和“平衡”条件构建各子域的物理场控制方程；将这些方程按照某种规则组合起来，在给定的初始条件和边界条件下进行综合计算求解，从而获得对复杂工程问题的近似数值解。（3）【优越性】能够分析形状复杂的结构；能够处理复杂的边界条件；能够保证规定的工程精度；能够处理不同类型的材料（4）【应用】最初应用在固体力学领域，逐步推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。在固体力学领域，主要用于线性静力分析、动态分析，也用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。有限元法分析的基本过程：有限元软件分为前处理、分析计算和后处理三大部分：（5）【各阶段的任务】 前处理前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元；前处理的任务就是实际问题或设计方案抽象为能为数值计算提供所有数据的有限元模型，故又称建模。该模型定量反映了分析对象的几何、材料、载荷、约束等各个方面的特性。建模的中心任务是离散，还包括与之相关的其他工作，如单元结构形式处理、几何模型建立、单元类型和数量选择、单元特性定义、单元质量检查以及模型边界条件的定义等 计算分析计算模块则对单元进行分析与集成，并最终求解得到各未知场量；计算的任务是基于有限元模型完成有关的数值计算，并输出需要的计算结果。主要工作包括单元和总体刚度矩阵的形成、边界条件的处理和特性方程的求解。该工作主要由计算机完成，除计算前需要对计算方法、计算内容、计算参数和工况条件等进行必要的设置和选择外，一般不需要人的干预。 后处理后处理的任务是对计算输出的结果进行必要的处理，并按一定方式显示或打印出来，以便对分析对象的性能或设计的合理性进行分析、评估，做出相应的改进或优化。（6）【有限元建模的重要性】影响结果精度。模型的误差直接决定计算结果的精度。如果模型本身不合理，即使计算方法再精确，也不可能得到高精度的分析结果。模型的形式是决定结果精度的主要因素。影响计算过程。不同的模型所需要的计算时间和存储容量可能相差很大，不合理的模型还可能导致计算过程死循环或终止。对人员要求高。分析需要综合考虑的因素很多，所以要求分析人员有相应的专业知识、有限元知识和软件使用技能等。花费时间长。分析人员可把计算过程作为“黑匣子”来对待，而把主要精力集中在建模上。据统计，建模花费的时间约占整个分析时间的70%左右。提高建模速度是缩短分析周期的关键。（7）模型的定义包括：节点数据，单元数据，边界条件数据（8）建立有限元模型的一般步骤：问题定义-几何模型建立-单元选择-单元特性定义-网格划分-模型检查和处理-边界条件定义-计算-结果比较-模型修正（9）【有限元建模的基本原则】建立网格模型时需要考虑的因素很多，不同分析问题所考虑的侧重点也不一样。但都应考虑两条基本原则：一是保证计算结果的精度，二是要适当控制模型的规模。3 有限差分法【定义】把基本方程和边界条件（一般为微分方程）近似地改用差分方程表示，把求解微分方程的问题转换为求解代数方程的问题。【特点】差分公式导出简单、计算成本低、但其稳定性要求决定了在离散化时对距离步长与时间步长的选用受到一定制约。网格划分规整，无需构建形函数，不存在单元分析和整体分析。一般要求对物体作有规则网格划分，对于复杂或不规则的几何形状的分析精度受到影响。【中心思想】将连续求解域划分成差分网格（最简单的差分网格为矩形网格），用有限个节点代替原连续求解域，用差商代替控制微分方程中的导数，并在此基础上建立含有限个未知数的节点差分方程组；代入初始条件和边界条件后求解差分方程组，该差分方程组的解就是原微分方程定解问题的数值近似解。【构造有限差分的方法】 方法很多，主要有（1）数值微分法；（2）积分插值法；（3）待定系数法（4）泰勒(Taylor)级数展开法等。目前普遍采用泰勒(Taylor)级数展开法，即将展开式中求解连续场控制方程的导数用网格节点上函数值的差商代替，进而建立起基于网格节点函数为未知量的代数方程组。第二章 铸造成型过程数值模拟概况三、铸造成形CAE软件学习的目的及意义1、研究目的。铸造成形过程数值模拟涉及到铸造理论与实践、计算机图形学、多媒体技术、可视化技术、三维造型、传热学、流体力学、弹塑性力学等多种学科，是典型的多学科交叉的前沿领域。最终的研究目的是在计算机虚拟的环境下，通过交互方式，能够制定合理的铸造工艺，而不需要到现场去做试生产，从而可以大幅度缩短新产品开发周期、降低废品率，提高经济效益。2、研究意义铸造是机械产品毛坯的重要生产方法， 在国民经济中占有重要地位。随着世界统一市场的形成和发展，铸造企业面临着日益激烈的竞争和严峻的挑战。传统的试错法铸造设计、生产方式已不能适应市场对企业的要求。铸造企业必须变革传统的生产方式、引进新技术、新方法。铸造工艺CAD/CAE技术已经广泛应用并成为改造传统铸造技术的高新技术，为企业提高铸件质量、赢得市场竞争发挥重要作用。CAD/CAE技术已经逐渐深入铸造领域并应用于铸件的产品与工艺研究，为促进铸造企业的技术改造和进步带来了全新的活力。21世纪铸造成形加工技术的总目标是高质量、短周期及低成本。围绕此目标，世界各国铸造成形加工技术的研究方向：一是重大工程中的特大型铸件的关键铸造技术；二是精确成形技术（Net Shape Casting），例如铸件的轻量化、强韧化、精密化及工艺的复合化将是精确铸造成形技术发展的主要内容；三是计算机模拟仿真及优化技术逐步替代传统的经验性研究方法。铸造工艺CAD和CAE技术的主要功能：采用铸造工艺CAD及过程模拟仿真技术（简称铸造CAE技术）可以快速设计及优化铸造工艺，并可用电脑浇注的方法来可视化地显示出铸造全过程以及缺陷形成过程。这可以彻底改变传统铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场竞争能力，是铸造工艺由“经验”走向“科学”的重要途径，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。研究意义有以下两点：1、工程师进行创新设计的重要手段和工具工程和制造企业的生命力在于工程/产品的创新，而对于工程师来说，实现创新的关键，除了设计思想和概念之外，最主要的技术手段，就是采用先进可靠的CAE软件.2、科学家进行创新研究的重要手段科学计算是现代科学家进行科学和技术研究的三大手段之一。它可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能表现的科学奥秘和科学规律。同时，它也是工程科学家的研究成果-理论、方法和科学数据-的归属之一，做成软件和数据库，成为推动工程和社会进步的最新生产力。四、 研究内容1、温度场模拟：利用传热学原理，分析材料成型的传热过程，模拟铸件的冷却凝固过程及相关缺陷等。传热的三种基本方式：热传导、热对流、热辐射。（1）热传导：在流体（液体、气体）和固体接触的场合，即使是流体一侧，在边界面上也仍然会因热传导而引起热的流动，即传导传热。热传导时，导热的基本定律是傅里叶定律，比热流量；，导热系数；T，温度；x，坐标值。（2）热对流：在流体的场合，不仅会因热传导，而且也会由于流体的流动而引起热的流动，即对流传热。热对流时，对流换热用Newton冷却定律描述。，q，热流密度；a，对流换热系数；，流体的特征温度；，固体边界温度。（3）热辐射：在液体金属等高温物体的表面，主要是热辐射传热。热辐射时，辐射换热用Stefen-Bolt-sman定律来描述。，q，热流密度；，表面的热力学温度；，辐射黑度；，Stefen-Bolt-sman常数。传热分析的常用数值方法：有限差分法、有限元法、直接差分法、边界元法（1）有限差分法：其实质就是将求解区域划分为有限个网格单元，将微分问题化为差分问题，离散化得到差分格式，利用差分格式来求解相应问题。用有限差分法求解不稳定导热过程（温度随时间变化的非稳态温度场的导热即为不稳定导热过程）的步骤：将不稳定导热过程所涉及的区域在时间和空间上进行离散化处理；设定物性条件、初始条件、边界条件；写出单元差分格式；将求解的过程编成计算程序，由计算机算出结果，得到温度场相关结果。（2）有限元法：其实质就是将求解区域划分为有限个单元，通过构造插值函数，把问题化为一个变分问题（即求泛函数值的问题），经过离散化得到计算格式，利用计算格式来求解相应问题。求解步骤：将不稳定导热过程所涉及的区域在空间和时间上进行离散化处理；设定物性条件、初始条件和边界条件；写出单元泛函数表达式；构造每个单元的插值函数；求得泛函数极值条件的代数方程表达式；构造代数方程组；将求解的过程编成计算程序，由计算机算出结果，得到温度场相关结果。有限元法具有很大的灵活性和适应性，并且便于与应力场进行耦合计算，但数据准备复杂、对硬件设备要求高。2、流动场模拟：利用流体力学原理，分析铸件充型过程，从而优化浇注系统、预测卷气、夹渣等缺陷。基本概念（1）流体：一般情况下，是指一种在微小切应力作用下会发生连续变形的物质。一般流体都有如下基础属性：在不受外力作用的情况下，流体没有它自己的形状。材料加工过程中遇到的绝大多数流体都是满足这一条件的牛顿流体。（2）恒定流动和非恒定流动。随时间而变化的流动称为非恒定流动；不随时间变化的流动称为恒定流动。具体是根据场合而定。如紊流问题，从微观讲是非恒定流动，但如果考虑某段时间的平均值的话，则可以当作恒定流动。（3）层流和紊流：层流是流体的流线不相互掺混、井然不乱的一种流动方式；紊流是指流线相互掺混的一种流动方式。（4）粘性流和牛顿流体：具有粘性的液体的流动称为粘性流，所谓粘性是指流体变形的时候产生的阻力或能量损失。如果阻力与变形速度成正比，这样的粘性流体称为牛顿流体，这个比例系数就是粘度。流动分析的主要方法：SIMPLE方法、MAC及SMAC方法、SOLA-VOF方法、SOLAMAC方法、FAN方法、Finite Volume方法、格子气模型。3、流动与传热耦合计算：利用流体力学与传热学原理，在模拟流动场的同时计算传热，可以预测铸造充型过程产生的浇不足、冷隔等缺陷，同时得到充型结束的温度分布。4、应力场模拟：利用力学原理，分析铸件的应力分布，预测热裂、冷裂、变形等缺陷。5、组织模拟：分宏观、介观、微观组织模拟，利用一些数学模型，如monte carlo，计算形核数、枝晶生长速度、组织转变，预测力学性能。（1）材料加工领域的微观组织模拟，主要是指在微观的尺度（1微米0.1毫米）上对成形工件的温度场、浓度场、形核、晶粒长大以及枝晶生长等变化过程进行的计算机数值模拟。微观组织是决定工件力学性能和使用性能的关键因素，以往对于凝固组织的研究主要是采用试验的方法，对不同条件下制备的试样进行金相检验，以得出其组织形成的规律性。这种方法虽然具有直观性和可操作性，但费用高、工作量大，并且具有一定的盲目性。对合金凝固过程的微观组织进行数值模拟，可以在较少工作量的基础上，预测工件微观组织的形成，进而预测工件的机械性能，获得主要工艺参数与最终产品的组织结构的定量关系。（2）液态合金凝固过程的微观组织模拟，分为三个层次宏观尺度（1cm1m），液态金属的流动与凝固可以用能量、动量及溶质守恒方程来计算。微观尺度（1m0.1mm），可以用相场等方法研究枝晶生长的动力学和凝固路径。相场模型综合考虑了溶质守恒方程和平衡相图特征及固液界面的扩散机理。介观尺度（0.110mm），介于两者之间的是晶粒尺度模拟。（另有原子尺度，0.11nm），研究固液界面原子的扩散。（3）液态合金凝固组织模拟的数理基础A、形核模型形核过程是液体中的游动原子集团逐渐长大到一定尺寸并形成固体质点（即稳定的原子集团）使周围原子能向上堆砌的过程。晶体的生长是液相中原子向晶体表面堆砌的过程，也是固-液界面不断向前推移的过程。晶体的生长主要受以下影响：界面前沿的温度条件；界面的结构；对合金而言，还与界面前的浓度及合金本身的性质有关。目前存在连续形核模型、瞬时形核模型、准连续形核模型三种。一般而言，对于具有很窄结晶区间的合金，推荐使用瞬时形核模型，可以节省运算时间。但为了更准确地反映实际情况，应采用连续形核模型。B、生长模型固相晶核形成后，紧接着就是晶粒的生长过程。晶粒生长模型的建立主要是为了计算晶粒的生长速率，其基本理论仍然是基于与热扩散和溶质扩散相同的连续理论。由于共晶合金和枝晶合金的晶粒结构不同，一个是等轴晶一个是柱状晶，因此对应有两种不同的生长模型。（4）组织模拟的数值方法A、确定性模拟方法：依据经典形核和枝晶生长理论，认为型壁或液相中晶粒的形核密度和晶粒生长速度是过冷度的函数，并对晶粒形态进行了近似处理，如将等轴晶视为球状，柱状晶视为圆柱状等，忽略了枝晶的晶体学生长特征，着重于工件中的晶粒总数、各区域的平均晶粒尺寸和平均二次枝晶臂间距的模拟。这种方法完全不考虑晶粒形核和生长过程中的一些随机因素，所以从相同的初始条件开始计算会得到完全一样的结果。B、随机性模拟方法：采用概率方法来研究晶粒的形核和长大，包括形核位置的随机分布和晶粒晶向的随机取向，能实现动态显示每个晶粒的具体形态及其生长演变。凝固过程中的传质过程以及能量和结构起伏是随机过程，因此采用概率方法来研究微观组织的形成过程更能接近实际，随机性模型比确定性模型更成熟。主要有Monte-Carlo方法和自动元胞机方法。C、相场法：是模拟凝固组织、界面形貌广泛选用的方法。相场模型通过引入在界面处急剧变化但连续的相场变量（=1时为固相，=-1或0时，表示液相），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，其解课描述金属系统中固液界面的形态和界面的移动，从而避免了跟踪复杂固液界面的困难。此外，相场法通过相场与温度场、溶质场、流动场及其它外部场的耦合，在液态金属凝固过程中有效地将微观与宏观尺度相结合。五、铸造数值模拟技术的发展和应用现状1996年美国在下一代制造计划(NGM)中就将建模与仿真作为10项关键基础技术之一。我国铸造行业率先引入计算机技术的是铸造过程数值模拟领域。沈阳铸造研究所和大连工学院在这一方面做了开拓性的工作。1978年，在葛洲坝电站的水轮机叶片的铸造工艺研究中，沈阳铸造研究所的张毅、王君卿等人开展了铸件凝固过程温度场的计算机模拟。大连工学院的金俊泽等人对大型船用铜螺旋桨的凝固过程温度场进行了数值模拟。此后，哈尔滨工业大学、西北工业大学、西安交通大学、清华大学、华北工学院都先后开展了温度场模拟的研究1982年开始，大连工学院的郑贤淑、金俊泽等人开始了铸造应力的数值模拟的研究。此后，西安交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海工业大学等也都开展了应力场的模拟分析工作。在铸造充型过程的数值模拟方面，经过几十年的发展，铸造充型过程数值模拟技术已经比较成熟和完善，并进入了广泛的实用化研究阶段。对于铸造过程热应力模拟来说，目前处于理论研究阶段，能够准确描述高温状态应力/应变场的数学模型还没有建立，缺乏高温状态合金的物性参数也严重阻碍了应力模拟系统的生产应用。微观组织模拟在20世纪90年代成为研究的热点，一些研究对球墨铸铁、铝合金等铸件微观组织形成过程进行了模拟分析，取得了可喜的成果。但在实际生产中的推广应用还有很长的路要走。20世纪90年代铸造数值模拟技术研究范围有早期的普通重力铸造发展到低压铸造、压力铸造、熔模铸造、实型铸造、电磁铸造、电渣铸造甚至型砂紧实过程的数值模拟。这一期间另一大成就是温度场、流动场以及流动与传热的耦合计算等技术进入到了实用阶段，出现了铸造模拟商品化软件系统。【铸造数值模拟的应用现状】自从20世纪80年代中期以来，各国都对铸件数值模拟开展了研究，举行了很多相关国际会议，也见到了大量的研究论文。据Jolly统计，已有36种相关软件。但这不是一个全面的统计，未包括像中国等一些发展中国家的相关软件。最著名的德国MAGMA公司的MAGMASOFT已经在20多个国家300个铸造企业中应用，包括中国的9家铸造厂。但购置软件的切也只有很少部分的铸件实用模拟软件进行分析。【取得的成就】从铸造的角度来讲希望和要求模拟软件可以预测所有的缺陷及其类型和位置，例如冷隔、浇不足、气孔、缩孔、缩松、缩沉、夹渣、夹砂、冷裂、热裂、应力、变形、尺寸、微观组织和性能。目前，已经取得了相当成就，许多软件可以预测多种类型的缺陷和位置，并且朝着预测更多种缺陷的方向发展。【未能普及的原因】1）铸造业本身的问题a.铸造业对新技术跟进的步伐较慢铸造业作为一个产业，拥有数千年的悠久历史，长期以来在没有计算机和数字技术的情况成长和发展。虽然近些年许多铸造设备应用了计算机技术，提高了生产率和铸件的精度。但总体上，铸造产业对计算机和数字技术的需求，特别是工艺设计上不像其他产业那么强烈。b.铸造生产过程控制不够严格铸造生产时，大多采用手工浇注，浇注时金属流直径、浇包包嘴到浇口盆距离及入流速度变化范围大。虽然近些年铸造厂对浇注温度进行了严格的控制，但有时实际的浇注温度变化范围仍可能在20，这会给计算结果的精确性造成影响。另外，金属液化学成分的变化，金属凝固收缩特性的变化，造型材料性能的变化，铸型硬度的变化等都会对结果的精确性造成影响。如果没有严格的生产控制，计算机模拟就难以有好的应用结果。c.技术人员的培训和经验积累不够模拟软件可以用于改进工艺设计，提高产量、成品率，但仍需要有经验的铸造工艺人员来操作实用才能达到预期效果。因此对技术人员的培训和知识的不断更新是必不可少的。此外坚持不懈地应用、积累经验也同样重要。很多企业缺乏有经验的铸造工艺人员操作使用软件，缺少必要的培训。认为购置了模拟软件就能立竿见影，提高产量和成品率是对模拟软件的误解。2）模拟软件本身的问题模拟软件未能满足铸造的需要，常常不能准确预测缺陷及其位置。例如有些铸件设计完工艺，软件模拟显示最火 凝固的位置在冒口中表明铸件中不会出现缩孔和缩松，实际生产出的铸件还是有大约40%的废品。加大冒口后，还是有大比例的废品，实际上不能仅从加大冒口来解决，可以通过改变冒口颈形状、减小冒口颈模数、加快浇注浇注速度方面综合考虑。另外就是投资效益问题。不少软件商宣传说采用模拟软件后由于减少废品率，提高成品率，将很快得到回报，但厂家发现采用模拟软件后并非很快得到效益的回报。【进一步研究和发展】为了满足铸造生产的实际需求，数值模拟要在以下几方面进一步研究和发展。1）铸件凝固的物理模型和计算机数值解铸件的成形是一个复杂的非稳态物理和化学过程。其中有充型流动、传热、传质相变、凝固收缩等物理过程以及铸件与铸型相互作用的物理化学过程。这些过程都要满足质量、动量、能量守恒定律。这些过程对数学模型的结果、铸件的质量并非有同等的作用，一些次要的过程必须忽略以使过程方程可以建立并求解。但对这些过程需要进行评估以确定哪些必须考虑，哪些可以忽略，在这方面还需要开展进一步的工作。对于充型完毕后凝固开始直至凝固完成期间的两相流动问题还没有物理模型加以描述。没有直接描述凝固收缩过程的较好的物理模型，也没有直接描述铸件与铸型相互作用的物理模型。即使有了合理的物理模型及正确的数学模型，还需要有一个获得稳定、可靠和正确的数值解的方法。目前的求解方法对传热方程可以取得相当精确的结果，而对于充型过程所计算的精确性常受到限制。2）铸件的三维成形目前许多三维成形软件未能完全精确地表示铸件的形状，特别是一些复杂的过渡曲面。这些地方或许对铸件整体形状尺寸影响不大，但对流动过程、凝固进程有重要影响，因而影响模拟计算的结果。3）初始条件对很多情况，确定正确的初始条件并非一件容易的事。对于初始条件，一方面是要确定得尽可能准确，另一方面要求生产过程控制严格使初始条件变化范围较小。4）边界条件边界条件包括铸件与铸型以及铸型与空气之间的边界条件。铸型与外界空气之间边界条件相对比较容易确定，而铸件与铸型之间边界条件就很难确定。例如在铸造时铸件和铸型之间的间隙的变化可以从小逐渐增大，也可以从小增大再逐渐减小甚至为零（对铸铁在某些条件下）。一般都设定铸件和铸型、铸型和外界空气之间的传热系数为定值。目前研究工作还在进行，以期准确测量铸件和铸型之间的传热系数。5）热物性数据准确的热物性数据（如材料的导热性、热容等）是模拟软件鞥能够准确第模拟铸件凝固过程的关键。而这些数据测量又非常困难，同时这些数据在凝固过程中是变化的。6）铸件缺陷的预测及显示到目前为止，凝固模拟尚未能真正显示可能出现的缺陷。所计算预测的热流，不同时间温度场、应力场的结果往往是通过各种经验判据公式来确定是否出现缺陷，或其他可视方法来显示可能出现的缺陷及其范围大小，或可能形成的微观组织。铸件缺陷的预测既受计算结果的准确性的影响，也受经验判据公式的可靠性及适用范围的影响。7）铸造工艺的改进和优化计算机只能预示可能出现缺陷及其位置，并不能告诉任何消除可能出现的问题的方法。解决这些问题还是需要有经验的设计人员来改进设计。主流专业软件介绍（了解主流软件的名称）CAE软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算机科学和技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品。CAE软件的计算分析与模拟仿真能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库包含的单元类型越多，材料库包括的材料特性种类越全，其对工程/产品的分析与仿真能力就越强。知名CAE软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完善的材料库。CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库；如果解法库包含了各种不同类型的高性能求解算法，那它就会对不同类型、不同规模的问题，以较快的速度和较高的精度给出计算结果。先进高效的求解算法与常规的求解算法相比，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行计算机环境下运行。1）MAGMASOFT德国MAGMA公司开发的专业用于解决铸件生产和模具设计问题的CAE软件。支持从合金熔炼、铸型制作、金属液浇注，到冷却凝固、铸件热处理，再到熔炉材料和熔炉修补等整个生产过程，适用于几乎所有铸造合金材料的成形（包括铸钢、铸铁、铸铝、铸镁等）。同时针对不同的铸造工艺开发有专业技术模块（如压力铸造、重力铸造、倾转浇注、半固态铸造、离心铸造、消失模铸造、应力应变分析、工艺优化和连铸生产线等）。在有限差分技术的支持下，利用经典物理学方程对铸造过程进行了更加接近实际的描述，从而获得准确度极高的模拟结果，其分析计算速度也非常快。主要模块：a.作业管理；b.前处理；c.充型分析；d.凝固分析；e.后处理；f.材料数据库；g.多循环分析。2）ProCASTESI集团所属ProCAST公司（美国马里兰州）于1985年推出的铸造过程模拟软件。ProCAST为铸造业提供整体软件解决方案，可以进行完整的铸造工艺过程预测评估，包括充型、凝固、微观组织以及热力耦合模拟等。涵盖了各种铸造工艺和铸造材料。主要功能模块：a.重力铸造砂型、金属型铸造、倾斜浇注；b.熔模铸造熔模铸造、壳模铸造；c.低压铸造；d.压力铸造；e.消失模铸造；f.应力分析模具寿命；g.反求工程；h.独特第材料热力学数据求解器3）FLOW-3D美国流动科学公司（Flow Science. Inc）于1985年正式推出的三维计算流体动力学和传热学分析软件。能够很好第解决航天航空、金属铸造、镀膜处理、消费品生产、微喷墨头制造、海洋运输、微机电系统、水力开发等诸多领域的工程应用问题。特色：a.采用了一种网格与几何体相互独立的技术(自由网格法)； b.开创了真实的流体体积法(VOF)来跟踪和处理流动前沿的推进变化；c.提供三种计算方法(分离隐式、显式和可改变方向的隐式算法)，支持求解牛顿流体和非牛顿流体。d.包含有丰富而先进的物理模型，内置丰富的流体、固体材料库，支持材料属性的用户自定义。e.支持对流、热传到、热辐射等多种换热方式。f.提供友好的用户界面和二次开发接口。在金属铸造方面的应用：a.可以准确模拟铸液的浇注过程，给出充型的速度场、压力场、温度场和自由表面变化，以及铸型的温度场。b.能精确描述凝固过程，又能评估加热冒口和冷却或加热通道设计，给出宏观变量表示的微观缩松判据。c.可以模拟尺寸大小不限的金属薄壁、厚壁零件的铸造成型和砂型制造工艺中的气流冲砂过程。d.在保证计算精度的前提下，允许单独对凝固过程和浇注过程分别进行模拟。4）JSCAST前身是SOLDIA软件，由小松软件公司的长坂悦敬博士、村上俊彦联合大板大学的大中逸雄教授共同开发。1996年企业版的JSCAST正式开始发行。2005年开始销售中文版。JSCAST适用于高/低压铸造、砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、壳型铸造、重力铸造、倾斜铸造、减压铸造、差压铸造、半固态铸造等过程的动态模拟。JSCAST支持铸铁、铸钢、高锰钢、不锈钢、高温合金、率合金、镁合金、铜合金、钛合金等铸造材料，以及发热、保温、绝热、冷铁、冷却水、空气、加热器、金属模具、砂型(生砂、呋喃树脂砂)、型壳（陶瓷、石膏）和型芯等辅助材料。JSCAST可以准确地模拟型腔内部金属液的流动过程、型腔充满后的凝固过程、流动与凝固过程中卷气和夹杂的形成、卷入、流动及在浮力/重力作用下的沉浮，以及凝固过程中的缩孔、缩松。JSCAST是完全基于Windows开发的。5）Anycasting韩国Anycasting公司自主研发的基于Windows操作平台的金属铸造成形模拟软件，于1990年正式推向市场。Anycasting可以仿真各种铸造工艺过程中的充型、传热、凝固和应力场等物理现象，预测铸造缺陷与铸件微观组织。Anycasting的特色：a.基于Windows平台，易学易用； b.求解器模型先进，计算速度快； c.创新的充型和凝固缺陷预测模型及判据，使模拟结果更精确；d.完全面向铸造工艺过程，参数设置方便，界面传热系数自动设置；e.完全基于OpenGLDE 3D图形功能支持动态剖面技术；f.自动变差分网格技术，划网速度快；g.关系型材料数据库支持80多种黑色金属、100多种有色金属和30多种非金属，可自定义材料。h.后处理功能强大，多模型分析，完善的铸件质量评价体系，图片、动画自动输出。Anycasting软件安装后包含5个部分：anyDBASE 数据库，anyMESH网格划分，anyPRE前处理，anySOLVER求解，anyPOST 后处理。6）华铸CAE华铸CAE(InteCAST)是华中科技大学研究开发的。该软件一铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析，可以完成多种合金材质、多种铸造方法下的铸件凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。分析材料有：铸钢、球铁、灰铁、铸造铝合金、铜合金等。可分析的铸造方法:砂型铸造、金属型铸造、压铸、低压铸造、熔模铸造等。经过多年的努力，华铸CAE已成为一个比较成熟的商品化、实用化、集成化铸造工艺CAE系统。四、铸造CAE