毕业论文_电机圆筒外壳模具设计说明

1、摘要随着计算机技术和数值计算技术的发展完善，计算机在铸造领域得到了广泛的研究和应用。它可以在不进行实际浇注的情况下，模拟铸造的充型、凝固、传热、应力场、微观组织分布、缩孔与缩松的形成等过程，可以大大提高生产效率和经济效益，对于铸造生产具有十分重要的意义。本论文中，首先用高级绘图软件UG实现电机圆筒外壳的三维实体造型，并导出*.stl格式的文件；然后利用数值模拟软件AnyCasting，对其进行一系列的参数设置，选择优化的网格剖分数量，完成对铸件的前处理后，开始模拟电机外壳铸造的整个过程。最后输出结果并对其分析。本文着重分析了充型、凝固过程，与其速度场、温度场的变化情况。主要结论如下：（1）利用

2、高级绘图软件对三维实体造型的设计，这是数值模拟的前期准备阶段。绘制的准确与否，直接影响到后期的模拟结果。（2）Anycasting软件对铸件的充型、凝固过程数值模拟能比较准确地反映铸件的实际状况，预测可能产生的铸造缺陷与产生缺陷的部位。（3）对电机圆筒外壳铸件解剖和宏观观察，结果显示边缘处尚存在一定程度的缩孔，缩松缺陷，但缺陷较少，说明这个设计工艺较为合理。关键词：三维实体造型，数值模拟，充型42 / 49AbstractWith thedevelopmentof thecomputing technology and the numerical calculating technology,

3、 the compute was applied to the casting field more and more. The numerical simulation technology can simulate the forming process of moldfilling, the solidification,the conduct heat, the stress field,the distribution of micro-organization and the shrinkage cavity and so on in the casting without exp

4、eriencing practical molding, and improve greatly the yield efficiency and economic benefits. Therefore, the compute technology has become important meanings in casting production. In this thesis,firstly, the three-dimensional solid modeling of motor shell shouldbe achieved by the advanced graphics s

5、oftware UG and then export it the *.stl file format. Secondly,carry out a series of parameter settings and select the optimal number of mesh using software "Anycasting". Thirdly,after completion of thepre-casting,this paper starts to investigate the whole simulative process of casting.Besi

6、des the numerical simulation of the filling and solidification process, the paper investigates the changing of the velocity field and temperature field. The main research work and conclusions are presented as follows.1. The three-dimensional solid modeling of motor shell should be achieved by the ad

7、vanced graphics software UG which is the pre-preparation phase of the numerical simulation.The accuracy of the molding directly impact on the results of simulation.2. The numerical simulation of the filling and solidification process can reflect the actual condition of the casting, and can predict t

8、he possible foundry defect and its position in the cast product.3. The three-dimensional solid modeling of motor shell was sectioned and observed macroscopically.The results showed that the position of shrinkage porosity defects was close to the edge of the casting. But It was found that that the tr

9、end of shrinkage porosity defects increased slightly which shows that This process is reasonableKey words: three-dimensional solid modeling, numerical simulation, the filling目录摘 要IAbstractII目录III第一章 引言11.1Unigraphics 介绍11.2两种铸造模拟软件介绍21.2.1 Anycasting软件21.2.2 ProCAST软件31.3铸件充型凝固数值模拟的研究进展61.4本文研究容7第二章

10、 电机圆筒外壳三维实体造型82.1电机外壳铸造工艺设计82.1.1工艺方案的分析82.1.2浇口设计82.1.3冒口设计92.2电机圆筒外壳造型特点与三维实体造型方法92.3电机圆筒外壳的绘制92.4 STL文件的导出15第三章 电机圆筒外壳铸造工艺数值模拟163.1电机外壳的实体造型163.2数值模拟前处理163.2.1仿真铸件的有限差分网格划分163.2.2设定铸造工艺参数183.3运行求解20第四章 铸件充型过程数值模拟结果与分析224.1充型过程224.2铸件凝固过程264.3传感器输出曲线与分析31第五章 结论40参考文献41致 43第一章 引言1.1Unigraphics 介绍Un

11、igraphics(简称UG)最早应用于美国麦道飞机公司，1997年10月将微机版的Solid Edge软件统一到Parasolid平台上，形成了较为完善的企业级集成系统。它是当前世界上最先进和紧密集成、面向制造业的CAD/CAE/CAM高端软件之一，是计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程和产品数据管理(CAD/CAM/CAE/PDM)一体化的软件系统。UG自从1990年进入中国市场以来，在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以与其他高科技应用领域的机械设计和模具设计、加工等领域得到了广泛的应用。Unigraphics CAD/CAM/CAE系统提供了一种基于过程的产品设计环境，使产品开

12、发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品与其精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程1。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，从而提高了设计的可靠性。同时，可采用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工。另外，它所提供的应用开发语言UG/Open GRIP和UG/Open API功能强大、简单易学，便于用户开发专用CAD系统。具体

13、来说，该软件具有以下特点2：（1）具有统一的数据库，真正实现了CAD、CAE和CAM等模块之间无数据交换的自由切换，并且可实施并行工程；（2）采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模等建模技术融于一体；（3）采用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能采用参数驱动；（4）二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照ISO标准和国标生成各种剖视图、标注尺寸、形位公差和汉字说明等；（5）以Parasolid为实体建模核心，目前许多著名CADICAE/CAM软件均以此作为实体造型的基础；（6）提供了

14、界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用CAD系统；（7）具有良好的用户界面，绝大多数功能都可通过图标实现，进行对象操作时，具有自动推理功能，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择。1.2两种铸造模拟软件介绍1.2.1 Anycasting软件AnyCasting是国AnyCasting公司自主研发的新一代基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统。是专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。它具有模拟准确、操作简便、功能全面与运算速度快等特点。早在19

15、85年，我们就研制出了AnyCasting软件核心求解器，1990年开始推广为商业化软件，通过多年来为大量不同领域如汽车、电子、重工、连续铸造行业的客户提供铸造工程咨询服务，AnyCasting积累了丰富的铸造工程经验，并不断地将实际的工艺经验在软件功能中得以实现，使得AnyCasting日益成为当今世界上技术最先进，包含丰富实际工程经验的铸造模拟分析软件系统3。图1-1 AnyCasting软件的组成部分AnyPRE作为AnyCasting的前处理程序，anyPRE可以实现CAD模型的导入，有限差分网格的划分，模拟条件的设置，并调用AnySOLVER进行求解。使用anyPRE，您可以进行多种

16、设置包括工艺流程和材料的选择来模拟铸造成型过程，设置边界、热传导和浇口条件，也能通过特殊功能模块来设置一些设备和模型。另外，你还可以通过anyPRE提供的CAD功能来查看、移动/旋转实体坐标系统。anyMESH能编辑由anyPRE生成的网格文件。您可以轻松地修改网格信息而不改变几何模型。anyDBASE作为一个能概括铸造成型中熔体，模具和其他材料性能的数据库管理程序，anyDBASE主要分为常规数据库和用户数据库。常规数据库提供了具有国际标准的常用材料性能，而用户数据库使用户能保存和管理修改或附加的数据。用户能简单的选择感兴趣的材料而不需要输入几百种不同的材料性能。另外，它还提供每种材料的传热

17、系数，提高了程序的方便性。anySOLVER作为AnyCasting的求解器，anySOLVER能够根据你的设定计算流场和温度场。铸造成型模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和熔体凝固过程的传热/凝固分析。只有在两个分析都准确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。anyPOST作为AnyCasting的后处理器，可以通过读取anySOLVER中生成的网格数据和结果文件在屏幕上输出图形结果。使用anyPOST，你可以用二维和三维观察充型时间，凝固时间，等高线(温度，压力，速率)和速度向量，也可以用传感器的计算结果来创建曲线图。这个程序具备动画功能使用户把计算结果编辑成播放文件，通过卓越的结果合并

18、功能来观察各种二维或三维的凝固缺陷。1.2.2 ProCAST软件ProCAST是世界上最著名的模拟解决方案，它采用先进的有限元技术，实现了流场、热场和应力场的完全耦合，配备了完备的数据接口、功能强大的自动网格划分工具以与丰富的材料数据库，可模拟所有铸造合金和所有铸造方法4。1. 三维模型网格划分ProCAST有丰富的CAD接口，可兼容AutoCAD、SolidWorks、ProEngineer、Unigraphics、CATIA等主流三维软件，可直接读取如IGS、STL、STEP、Parasolids等格式的数据，建强大的自动网格划分工具，能轻而易举的建构出复杂形状铸件的网格，网格的疏密可籍

19、参数设定来调整。对精密铸造，ProCAST置了自动生壳工具，可自动生成壳网格。同时，ProCAST还具有面网格装配和布尔运算功能，可轻易构建连续或非连续网格。可以生成异常复杂的几何体网格，对重要部位进行重点描述，对其他部位进行简单描述，支持非连续网格，更经济有效地表征几何体。2. 流动分析模块液态金属充型过程是铸件成形中非常重要的一个环节，ProCAST通过完全的Navier-Stocks流动方程对流体流动和传热进行耦合计算，不仅可以模拟出液态金属在铸型中的流动状态，并根据模拟得到液态金属的流动速度、压力等变化规律优化浇注系统设计，防止裹气，减轻液态金属对铸型的冲蚀，避免紊流的产生，而且可以模

20、拟出液态金属的温度分布，从而预测冷隔、浇不足等缺陷。另外，ProCAST还增加了用于分析紊流、半固态铸造、离心铸造、消失模铸造模拟的专用流动模块。3. 热分析模块在铸件凝固过程中，高温液态金属由液相向固相的转变过程，在这个过程中，高温液态金属所含有的热量必须通过各种途径向铸型和周围环境传递，逐步冷却并进行凝固，最终形成铸件产品。热分析模块即用于该过程中传热的计算，热量的传递方式包括热传导，对流换热和辐射换热三种。ProCAST使用热焓方程式计算金属液相到固相转变过程中的潜热，以与金属液因温度梯度所造成的收缩和其相关的补缩问题，从而预测铸件缺陷（缩孔、缩松）产生的可能性与位置。4. 应力分析模块

21、在铸造生产中，由于铸件结构方面的原因与工艺处理不当容易导致热裂或者在局部存在较大的残余应力或残余变形。ProCAST的应力分析模块可以进行热、流动和应力的完全耦合计算，从而显示由于铸件收缩变形而产生的铸件和铸型的间隙，进一步确定由于这种间隙的产生对铸件凝固时热场的影响，从而准确预测铸件和铸型的热、机械接触应力、残余应力、铸件的变形和热烈以与模具的疲劳寿命。5. 热辐射分析模块热辐射分析模块大大加强了基于基本模块中关于辐射计算的功能。专门用于处理精密铸造过程热辐射的计算。由于在辐射计算中考虑了视角因子和阴影效应，一旦部件之间有相互运动，视角因子将充型进行计算，该模块特别适用高温合金如铁基或镍基精

22、密铸造，此模块被广泛应用于涡轮叶片的生产模拟。6. 高级缩孔模块大多数模拟软件对缩孔缩松的预测仅局限于通过孤立液相区来预测，这种简化的方法没有考虑金属液中析出气体所产生的气孔的影响。ProCAST是全球第一个基于物理方法实现缩孔和气孔模拟的商用软件，它耦合了宏观缩孔缩松的预测，糊状区域的流动计算以与达西方程的相关压降。另外，ProCAST具备一个联合考虑溶解度和微孔形核长大的气体偏析模型。这种综合的处理方法将有助于铸造专业人士探索并理解铸造工艺条件、合金纯度和缩孔缩松预测之间的复杂相互作用。 7. 微观组织、机械性能分析模块ProCAST包括微观组织确定性分析方法，能够预测诸如铸铁和铸钢各相的

23、形成和转变。典型的确定性分析模型包括平均晶粒尺寸、枝晶间距、相分数、平均成分和石墨数量。铸造过程中铸件的机械性能可以通过微观结构模型所提供的屈服强度、抗拉强度、延展率和硬度等信息来预测。ProCAST还拥有先进的相场和Pseudo-Front追踪模型，可以提供所选铸造区域的晶粒的形态转变和显微偏析状态。 8. 晶粒结构分析模块铸件的晶粒组织结构是冶金学家最希望控制的铸造参数。典型的案例是运用定向凝固的方法制造燃气涡轮叶片。在这种精密铸造过程中，和冷铁接触的地方，合金以很细的晶粒开始凝固，在这个等轴晶粒区域，晶粒结晶方向优先按照热流方向生长，抑制了其它方向晶粒的生长。极端的情况是，在需要单晶的特

24、殊场合，在严格控制的凝固条件下，使一个晶核生长成整个单晶零件。ProCAST可以计算凝固过程中晶粒结构的变化，被许多高端工业用户用来控制铸造条件，优化零部件性能。ProCAST将有限元热流分析与CA(Cellular Automation)模型相耦合，即著名的CAFE模块。 9. 反求模块反求模块适用于科研或高级模拟计算之用，通过反求可以确定边界条件和材料的热物理性能。虽然ProCAST提供了一系列可靠的边界条件和材料热物理性能，但有时模拟计算对这些数据有更高的精度要求，这时反求模块可以利用实际的测试温度数据来确定边界条件和材料的热物理性能。 10. 材料数据库ProCAST置了一个丰富的材料

25、数据库，并且随着工业应用的发展而不断扩充。其中包括黑色金属（铸铁、铸钢），有色金属（铝合金、镁合金、锌合金、镍合金、钛合金等），非金属（各类型砂和型芯材料）。并且ProCAST还拥有一个独特的材料热力学数据库求解系统，允许用户直接输入合金的化学成分，从而自动计算模拟所需的精确的热力学数据。11. 可视化后处理模块ProCAST提供了一个完全整合在ESI Group工程软件环境之中的后处理工具。这个整合的解决方案提供了一个简单的操作环境来满足不同类型模拟的要求。CAST各软件包，包括几何修整工具，都将成为这个简单、统一应用环境的一个部分，并且铸造软件和其它模拟软件之间将会实现互通性。Visual

26、CAST（后处理软件）是第一款源于Visual-Viewer的应用软件，是ESI Group最新的后处理解决方案。它的主要特点包括：Windows方式的直观操作界面；多模块、多页面、多图表操作环境；简便的模型操作工具；交互式切面、扫描、X射线试图观察模式；云图、向量等显示方式；图片和动画输出功能；具有粒子追踪功能；前后处理间的柔性转换；自动生成pdf或ppt结果报告；支持脚本编辑。1.3 铸件充型凝固数值模拟的研究进展铸造过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路，是当今世界各国专家学者关注的热点。铸件充型凝固过程的数值模拟可以帮助工程技术人员优化工艺设计，缩短产品试

27、制周期、降低生产成本、确保铸件质量，己成为铸造领域最热门的研究课题之一。日前，凝固过程的温度场数值模拟与缩孔缩松预测己应用于实际生产，在充型过程，应力分析、微观组织等方面的基础研究与实用化进程方面都取得了很大进展5。（1）铸造过程计算机模拟仿真是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路，是当今世界各国专家学者关注的热点。经历了数十年的努力，铸造过程计算机模拟仿真发展己进入工程实用阶段，铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。（2）铸造过程计算机模拟仿真的研究重点，在由宏观模拟走向微观模拟。微观模拟的尺度包括纳米级、微米级与毫米级，涉与结品生核长大、树枝品与等轴品转变到金属基体控制等各个方

28、面。宏观模拟的研究集中在铸件应力分析与流场模拟等方面。（3）目前主要工业发达国家都有自己的商品化软件。国虽起步较晚，但进展迅速，目前国开发的商品化软件的部分功能己与国外软件相当，可以满足铸造工厂的一般需要。国外商品化软件在进一步扩大功能与使用围，如用于低压铸造、压力铸造与微观组织模拟等方面。目前国也在组织力量，奋起直追。（4）铸造CAE软件的研究开发在CAD/ CAM / CIM S与并行工程项目中日益受到重视。铸造CAE在并行工程中的集成，将使铸造CAE研究进入一个新阶段。1.4 本文研究容本文的研究容主要包括以下三部分：（1）分析电机外壳结构件的三维实体，用高级绘图软件UG实现电机圆筒外壳

29、复杂结构件的三维实体造型，然后导出文件(文件输出格式为*.stl)；（2）参考工艺设计过程，对浇注系统等各部分分别进行实体造型；（3）学习Anycasting软件，对实体进行网格剖分，对工艺进行模拟，输出结果并作出分析。第二章 电机圆筒外壳三维实体造型2.1电机外壳铸造工艺设计2.1.1工艺方案的分析由于顶注式浇注广泛的应用于工厂生产中，本文借鉴工厂铸造模式，采用顶注式浇注系统。以浇注位置为基准，浇道设在铸件顶部的，称为顶注式浇注系统。顶注式浇注系统的优点明显，容易充满，可以减少薄壁件浇不到、冷隔方面的缺陷；充型后上部温度高于底部，有利于铸件自下而上的顺序凝固和冒口的补缩；冒口尺寸小，节约了金

30、属；结构简单而紧凑便于造型，易于清除6。顶注式浇注系统分为简单式、楔形式、压边式和雨淋式，由于对铸件的要求不是很高，本浇注系统采用简单式的顶注式浇注系统。2.1.2浇口设计采用顶注式浇注系统，浇口直接与型腔相接，其位置、形状和大小决定着金属液的流向、流速和流态，对铸件的质量有直接的影响。欲建立浇注系统首先应确定浇口截面积和充填时间。再依据铸件的几何形状决定充填模式和浇口位置。浇口的设计原则应使金属液从铸件厚壁处向薄壁处充填；浇口的设置要使进入型腔的金属液先流向远离浇口的部位；从浇口进入型腔的金属液，不宜正面冲击型芯；浇口的设置应便于切除；金属液进入型腔后的流向要沿着铸件上的肋和散热片；避免在浇

31、口部位产生热节；选择浇口位置时，应使金属液流程尽可能短等7。在决定浇口面积之后，浇口的厚度与宽度的选择参考以下准则8：1）基本上浇口的厚度不要超过铸件平均壁厚的一半；2）浇口宽度/铸件宽度=4/65/6，可拆成数个浇口，使得浇口宽度不超过80mm；3）浇口厚度/铸件厚度=1/31/2。总结以上设计准则，借鉴现在电机外壳铸造工艺，对浇口的设计如图3-2所示，浇口距离铸件的高度为200mm，采用锥形浇口，锥度为60°，与铸件接触部分的圆柱直径为70mm。2.1.3冒口设计为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。在铸型中，冒口的型腔是存贮液态金属的容器，其功能是多方面的。功能不

32、同的冒口，其形式、大小和开设位置均不一样，所以，冒口的设计要考虑铸造合金的性质和铸件的特点9。电机圆筒外壳的浇注系统冒口的设计采用圆柱式，其位置与浇口的位置相对。冒口的高度，厚度，直径均采用工厂经验值进行设计，在后大部分和远离浇口的部分都设置冒口。设计如图3-2所示，高度为200mm，圆柱直径55mm。2.2电机圆筒外壳造型特点与三维实体造型方法三维建模是计算机图形学中的一种非常复杂的技术。目前，造型和建模的方法有5种，即线框造型、曲面造型、实体造型、特征造型和分维造型。实体建模的方法包括边界描述、创建实体几何形状、截面扫描、拉伸、旋转与扫掠等，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参

33、数化建模融为一体，快速生成实体10。电机圆筒外壳是一种形状复杂的三维实体，它是经过铸造与机加工后而成的，以此再设计绘制过程中对精度的要求不高，尽量满足其铸造工艺即可。目前，工程中常用的结构件的三维造型方法主要有两种：一是采用二次开发的方法来实现其造型；二是利用三维造型软件提供的强大造型功能完成齿轮的造型。其中，二次开发的方法要求设计人员具有一定的编程水平，造型周期相对较长，而且编出的软件也仅适用于特定的齿轮造型；而利用三维造型软件可以在较短的时间实现形状复杂零件的三维造型11。因此在工厂中，通常选用三维绘图软件（一般用UG）来完成圆筒外壳的绘制。2.3电机圆筒外壳的绘制打开UG NX5，新建文

34、件“pengfei”，然后进入起始建模、草图绘图命令。整体来看主视图是对称的，其实不然。其中的每个刺是不一样的，需要耐心的一步步绘制。其中用到了镜像、延伸、修剪、圆角尺寸标注、快速约束等一系列功能。最后绘制如图2-1所示的草图。图2-1 拉伸草图单击“完成草图”拉伸，系统弹出“拉伸”对话框，设置参数，如图2-2。拉伸对话框提示的操作，一步步进行，参数设置完后单击“确定”，完成草图拉伸，如图2-3所示。图2-2 拉伸参数设置 图2-3 拉伸实体然后在此基础上再次进行草图的绘制，由于实体图相对复杂。它的形成是在十几个草图绘制，经过多次的拉伸，回转，扫掠与基础上才形成的。本文主要介绍在完成实体过程中

35、用到的几个主要的草图与特征，减少繁琐不必要的述。以主视图的平面为绘图平面，继续草图。打击“草图绘图”按钮，选择绘图平面，绘制如图2-4单击“完成草图”。然后“拉伸”命令，进行参数设置，单击“确定”按钮，完成本次操作形成如右图所示的三维实体。图2-4 拉伸草图图2-5 拉伸实体接下来对毛刺进行修改，在此用到了回转。点击“基准面”按钮，建立基准平面，选中基准平面后单击“草图”按钮，进行草图绘制，如图2-5所示单击“完成草图”、“回转”，系统弹出“回转”对话框，设置参数，单击“确定”，然后回转体与整体进行求差，如图2-6所示(a)回转参数设置 (b) 求差参数设置图2-6 回转与求差设置对参数设置后

36、，单击确定按钮，完成求差。如图2-7所示。图2-7 回转后实体 图2-8 支座草图接下来对电机外壳的底座进行绘制，单击“草图”按钮，选择基准面，绘制如图2-8所示的草图。由于两边对称，对草图进行镜像，选择“镜像”命令，设置参数后单击“确定”。按照一样的操作步骤完成对其草图拉伸特征的绘制，完成后如图2-9所示。图2-9 支座草图拉伸后实体图2-10 外壳上部拉伸求差后实体在此图的基础上，在电机上部分进行类似的拉伸求差，完成后如右图2-10所示。随后点击，“基准面”按钮，创建一个与XZ平面平行且距离为427mm的平面。点击“草图绘制”，创建如图2-11所示的草图。图2-11 拉伸草图 图2-12

37、拉伸后实体点击“完成草图”拉伸特征，对参数进行合理的设置后，点击确定完成如图2-12所示的三维实体。在完成这一系列的实体操作中，一些细小的操作步骤在这里不做介绍。完成的实体，为了便与脱模，应该有一定的锥度和圆角。在绘图过程中默认锥度为4°，圆角R4。点击创建“基准面”按钮，在XZ平面上部434mm距离建立一个基准面，在XZ平面上方425mm建造另一个基准面。在这两个基准面上分别绘制操作，完成草图。点击“拉伸”，进行不同的参数设置，最后确定完成如图2-13所示的实体造型。图2-13 拉伸后大体轮廓接下来绘制外壳两侧一些凸起的部分，分析可知两侧的凸起部分并不是对称的，并且一侧的凸起也不是

38、在一个平面上的。相对来说，绘制要繁琐一些。首先绘制左侧的凸起部分。根据上述创建基准面的方法，创建两个满足条件的基准面。点击“草图”，选定已经创建的基准平面，然后确定。进行草图绘制，如图2-14所示。(a) 草图 (b) 拉伸实体图2-14 右侧凸出部分由于两侧并不对称，所以不能用镜像特称来完成操作，按照以上所述的步骤，创建基准面草图拉伸实体完成另一侧的特征。如图2-15(a) 草图 (b) 外壳实体图2-15 圆筒外壳大体造型以上就完成了电机外壳的三维实体造型(其中一些具体的细节部分不在做详细的述，省略不写)。下图就是圆筒外壳的三维实体造型与三视图。图2-16 电机外壳三视图2.4 STL文件

39、的导出用UG软件将三维实体造型导出成为*.stl格式文件12。从菜单选择导出*.stl格式，出现如图2-16所示的对话框，进行参数设置单击确定，以“linpengfei”为文件名保存。接着出现类选择对话框，如图2-17所示，选定对象确定，导出成*.stl格式文件。图2-17 快速成型对话框 图2-18 类选择对话框第三章 电机圆筒外壳铸造工艺数值模拟铸造过程数值模拟的基础是电机圆筒外壳的三维实体造型。设计出仿真铸型（电机圆筒外壳三维实体模型）后，将仿真铸件实体导入模拟分析软件AnyCasting中13。采用AnyCasting的网格划分功能对电机外壳模型进行有限差分网格的划分，完成铸造分析模型

40、的几何近似和模型化，建立起准确的电机圆筒外壳铸造成型系统的有限差分模型。然后，设定铸造工艺参数，运用软件AnyCasting进行电机圆筒外壳的模拟仿真浇注试验，分析铸件充型和凝固过程中速度场、压力场合温度场，从而找出现行铸造过程中存在的规律，在浇注整个过程中可能出现的情况。3.1 电机外壳的实体造型电机外壳是电机机上最大的一个部件，一般占发动机总重的1/4，形状复杂、结构紧凑。因此对建模工作提出了较高的要求，其中包括建模软件的选用和建模思路的建立等。限于试验条件和时间等因素，本文采用UG软件对三维实体造型的三维实体进行建模。图3-1为电机外壳三维实体模型。(a) 电机外壳右侧 (b) 电机外壳

41、左侧图3-1 电机外壳3.2数值模拟前处理3.2.1仿真铸件的有限差分网格划分仿真铸件建好以后，在执行数值模拟运算之前需要对铸件模型进行有限差分网格的划分。本文中模拟试验的网格划分工作由AnyCasting软件的前处理模块anyPRE来完成。首先将建好的CAD模型文件转换成AnyCasting所支持的STL（Stereolithography）文件格式，然后导入到anyPRE中。在其中先将铸件和浇注系统装配到一起，然后进行网格划分14。如图3-2为导入到anyPRE中的铸件实体模型、浇注系统的形式和位置。图3-2 导入实体网格划分后的模型要尽量逼真于实际铸件，才能确保实验分析结果的正确性。网格

42、划分的基本前提是壁厚参数要小于缸体铸件的最小壁厚，这样才能保证仿真铸件不失真。根据对计算结果精度的要求不同，灵活地设置网格密度，对精度要求低的部分可以把网格设置得稀疏一些，对精度要求较高的部分则应提高网格的密度，以确保计算结果的准确性。这样可以在保证计算结果具有足够精度的前提下，减少计算时间，提高计算效率，在有限的时间和硬件条件下获得较为满意的计算结果15。本实验由于电机外壳属于壁厚较为均匀的铸件，所以采用均匀网格划分法。初始方案将网格剖分成979979，划分结果如图3-3所示。(a) 生成网格参数 (b)实体网格剖分图3-3 网格剖分很明显一些小的毛刺没有被剖分到，经过模拟发现结果非常不合理

43、，与实际不相符合。优化方案，多次设定模拟决定，将总体网格数量设定为1940888，在200万左右，即可满足要求，并且模拟运算过程较快，结果较为理想。划分结果如图3-4导入到anyPRE中的铸件实体模型以与浇注系统位置(a) 网格剖分参数 (b) 实体网格剖分图3-4优化的网格剖分3.2.2设定铸造工艺参数网格划分完毕后，需要输入铸造工艺参数和边界条件，以便模拟仿真铸造过程实验。（1）铸造材料：铸铁。在这里考虑到两个问题，第一电机外壳对材料的要求不高，铸铁本身就可以满足其工作要求16。第二考虑到经济性方面的原因，铸铁比铸钢经济实惠；（2） 砂型铸造：对铸件、铸型与周围的空气预热温度200

44、6;C。预热可以提高逐渐的质量，另外由于砂型铸造要保持一定的干燥度，预热可以去除多余的水分，保持干燥的环境；（3） 热传导率：在铸件凝固过程中，铸型没有相变过程，故可看作无热源的热传导问题。铸件与铸型之间的热传递过程，用热传导率来处理交界处的边界条件。Anycasting对于热传导率有自己的数据库，可以根据材料的属性查到17；（4） 铸件材料的设置，如图3-5所示； 图3-5 铸件材料设置 图3-6浇口设置（5）浇口条件做如下设置，如图3-6所示；（6）为了便于对温度的分析，模拟中加上传感器，在铸件上面取出不同的特殊点。本文为了对不同的点进行研究，选择了三个传感器，取出了24个不同的特殊点。如

45、图3-7所示；(a) 点的选取 (b) 点的空间位置图3-7 传感器设置（7）为了使模拟的更为逼真，系统对充型与凝固做了定义，可以默认设置，如果有不合理的地方可以做修改，本模拟用了默认设置，如图3-8所示；(a) 充型定义 (b) 凝固定义图3-8 铸造过程设置（8）充型结束后，以凝固96%作为结果输出。并且在输出数据中，以每5%作为一个间隔输出，这样便于对数据的观察。在这里模拟结束条件，没必要以凝固分数100%作为结束条件，因为冒口的以1187°C的浇注温度保温，不可能达到完全凝固。充型、凝固输出的体积分数间隔不要太大，不便于输出数值的观察。3.3运行求解对Anycasting的一

46、些设置进行检查，如果无误，点击运行求解按钮。它就会自动的运行求解，求解过程是相当麻烦的，即使在计算机的运行条件下也要经过十几个小时才能得出结果来。第四章 铸件充型过程数值模拟结果与分析4.1充型过程铸造过程的充型过程，是高温液态金属在高压下高速充填结构复杂、断面狭窄的金属型腔的过程。由于型腔的填充模式是影响压铸件质量的关键因素之一，因而充型过程的流场控制是铸造过程的中心环节。通过充型过程速度场、温度场与压力场的数值模拟，能够较准确地表达充型过程的流动和传热规律，并可预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷，进而优化铸造工艺，实现理想的型腔充填状态，对实际压铸生产具有重要的指导意义18。铸件浇注充型过程中

47、，伴随着热量的散失、温度的降低。显示温度场时，采用色温映射的方式，即利用OpenGL技术对充型过程中的速度场、温度场与压力场的动态显示。如图所示为充型顺序与温度场分布。通过这次充型模拟，主要分析以下几方面的容：1) 液态金属在铸型中充填5%, 20%, 45%, 70%, 85%, 99.3%时的情况，如图4-1所示；2) 液态金属在型腔中的流动状况；3) 液态金属在型腔中按时间顺序充填的温度分布。(a) (b)(c) (d)(e) (f)图4-1充型顺序与温度场分布(a)充型10 % (b)充型25% (c)充型45% (d)充型 70% (e)充型85% (f)充型99.9%铸件充型过程与

48、液态金属的流动、传热与传质过程密切相关，是一个伴随着热量散失以与凝固的非恒温的流动过程，可用质量守恒和动量守恒方程来描述，而充型过程中金属液与铸型之间的热交换可用热量平衡方程来描述19。在这个过程中最基本又最重要的物理现象是传热和流动。铸件形成过程的流动现象可归纳为以下几种20：1) 浇注时液态金属在充填铸型过程中的流动；2) 型腔液态金属中由于温度差引起密度差而产生的自然对流；3) 由于凝固收缩、液态收缩与重力等引起液体在枝晶间与其分枝的流动。通过本次模拟结果，分析液态金属在浇注充型过程中存在以下一些特点：1) 由于缸体件结构复杂，壁厚均匀，从整个充型过程看，其充填形态表现出复杂多样的特点。

49、具体表现为，从整体上来说，金属液表现为顺序充填，较为平稳。由于充型速度较高，金属液进入浇道直接冲向对面型壁，由于壁面阻力与惯性作用，金属液被冲到一定高度。然后在重力、壁面阻力的作用下回落，同时裹入一定量气体，形成气涡。在足够高的压力作用下，随着充型过程的进行，气涡将不断减小，用顶注式很难避免这一点；2) 从充型过程温度分布来看，铸件在整个充型过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低，上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。初始浇注温度为1187°C，充型刚结束时的最低温度约为1157°C，说明充型过程中温度变化较小，充型完成时温度分布较为均匀。图4-2所示为充型过程中的速

50、度矢量场分布。可以看出整个充型过程所用时间为16.5s，充型较快。随着液态金属充型过程的进行，充型速度局部差异较大，表现为离浇注系统近的部位充型速度较大，离浇注系统远的部位充型速度则相对较小。速度是充型过程中能获得轮廓清晰、表面光洁的铸件的重要工艺因素。当充型速度过低时，易产生浇不足、冷隔等缺陷，而当充型速度过高时，金属液脱离型壁发生喷射，又在重力作用下回落，容易将气体与金属液表面氧化物薄膜卷入金属液部，导致卷气、夹渣。在实际生产中，必须根据铸件壁厚、结构、浇注温度、铸型冷却速率、排气条件等具体情况，适当选择充型速度21。(a) (b)(c) (d)(e) (f)图4-2充型过程中的速度矢量场

51、分布(a)充型10 % (b)充型25% (c)充型45% (d)充型 70% (e)充型85% (f)充型99.9%为了便于观察充型时间与充型体积的变化，将其绘制成关系图4-3图4-3 为充型体积分数和充型时间的关系曲线从图中可以看出曲线的斜率基本保持不变，波动较小，表现为液态金属充型体积分数随充型时间均匀增长。 这说明浇口的设计比较合理，冒口起到了补缩作用。4.2 铸件凝固过程铸件的凝固过程也就是金属由液态转变为固态的结晶过程。液态金属结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。金属凝固后的铸件组织是由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区组成。影响铸件组织形成的主

52、要因素有浇注温度、铸模冷却能力、散热条件、液体流动性以与合金的凝固温度围等。金属凝固过程所产生的铸造缺陷主要包括宏微观偏析、缩孔、缩松、气孔、夹杂物与热裂等22。图4-4为铸件的凝固顺序以与温度分布，其中图(a)-(f)依次为凝固0.4%，17.2%，36.8%，58.1%，75.7%，95.2%时的状态图。随后还对铸件中一些典型部位进行测温模拟，选出铸件典型部位的24个点进行测温，测出整个充型、凝固过程中温度随时间的变化。对凝固模拟结果分析后认为，铸件凝固过程中存在以下一些特点：1) 整体上看，铸件达到完全凝固时所需要的时间6000S左右，凝固时间相对较长，凝固速度比充型要慢的多，这也是可以

53、理解的，另外在浇口位置设置为1187°C的保温温度，比融化温度要高，所以最后在冒口必定有一部分没有凝固，凝固时间也会延长；2) 从铸件整体上来看，铸件在整个凝固过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低、上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。铸件的凝固顺序表现为纵向下部先凝固、上部后凝固，横向边缘先凝固中心后凝固，即铸件薄壁处先凝固，壁厚较大处后凝固，薄壁处凝固速度快，厚壁处凝固速度慢，铸件厚度最大处最后凝固。如图4-4所示。为了更清楚的分析模拟结果，下面对铸件的典型截面进行观察，对原来铸件做如下剖分，进行温度的观察分析，截面所选位置如图4-5所示。(a) (b)(c) (d)(e

54、) (f)图4-4 凝固顺序与温度场分布(a)凝固0.4% (b)凝固17.2% (c)凝固36.8%(d)凝固58.1% (e)凝固75.7% (f)凝固95.2%图4-5 截面位置示意图 图4-6 为铸件截面A的温度场分布图。由图中可以看出，随着凝固过程的进行，铸件截面A的温度逐渐降低，温度分布表现为边缘温度低，中心温度高，即边缘与薄壁处先凝固，厚大部分的侧与圆筒外壳径成为最后凝固的封闭区域，此处易形成缩松、缩孔等缺陷。(a) (b)(c) (d)图4-6 铸件截面A温度场分布(a)凝固17.2% (b)凝固45.4% (c)凝固70.8% (d)凝固95.2%图4-7 为铸件截面B的温度

55、场分布。从图中可以看出其凝固过程温度场分布与截面A基本相似，仍旧是厚大部分的侧与圆筒外壳径处最后凝固（如图d）。因此证明了该处正是铸件出现缩孔、缩松几率最大的部位。图4-8 为铸件截面C的温度场分布图，随着凝固过程的进行，铸件截面C的温度逐渐降低，温度分布表现为厚大部分边缘温度低，中心温度高，即边缘先凝固，而中心最后凝固。在厚大部分的温差最大，因此在此处是缩松、缩孔等缺陷最容易形成的位置。从整个凝固过程可以看出来，浇口位置最后凝固，这样是比较理想的。(a) (b)(c) (d)图4-7 铸件截面B温度场分布(a)凝固17.2% (b)凝固45.4% (c)凝固70.8% (d)凝固95.2%(a) (b)(c) (d) 图4-8 铸件截面C温度场分布（a）凝固17.2% (b)凝固45.4% (c)凝固70.8% (d)