（机械制造及其自动化专业论文）铸造过程计算机模拟前处理技术研究.pdf

武汉理1 ：人学硕士学位论文 摘要 铸造行业是国民经济的重要一脉，铸造过程计算机模拟是铸造业由传统走 向现代化的标志。在铸造过程数值模拟系统中，前处理模块肩负着导入数据模 型和为计算模块提供网格信息的重任，其处理结果的好坏将直接影响到数值模 拟软件的应用和推广。本课题对铸造过程数值模拟前处理技术进行了重点研究， 以v i s u a lc + + 6 0 为开发平台，通过相关程序的编制，开发出了一款实用，简便 的前处理软件。 本文在对o p e n g l 开发环境进行研究的基础上，提出了用于模型平移、缩 放和旋转的交互式技术，使得用户通过简单的鼠标点击和拖动动作即可完成对 模型细节的查看。采用s t l 文件格式作为将铸造c a d 软件中建立的几何模型导 入铸造c a e 软件的媒介，同时编制了兼容a s c i i 码和二进制两种s t l 文件格式 的接口程序，扩展了软件的应用范围。 网格剖分是前处理技术研究的核心内容。本文通过“切片扫描 法对数据 模型进行了快速的网格剖分，并编制了可自动识别不同材质边界的剖分程序。 针对剖分过程中出现的“文件破洞”和“奇异点等问题，开发出了用于判断 和修补缺陷的错误诊断与容错系统。同时采用网格线偏移和表面网格显示等技 术有效地消除了网格显示的过程中网格线与网格面相互融合的“隐线”现象以 及对网格模型进行操作过程中操作响应滞后的现象。 在设计软件界面时，本文采用单文档多视图的设计样式，对界面功能进行 了优化和扩展。软件中除具有用于模型显示的图形绘制窗口外，还添加了软件 操作窗口和模型属性窗口。结合普通人的使用习惯和思维方式，软件操作窗口 采用树状视图的结构形式，层次分明，操作步骤一目了然；模型属性窗口采用 列表视图的结构形式，结构清晰，便于用户及时获取模型信息，软件界面的设 计有效地展示了程序的精彩内涵，充分体现了软件的功能。给用户以视觉的美 观感。 最后将软件应用于一些复杂铸件的剖分，结果表明，该前处理模块在剖分 精度，网格显示以及界面布置等方面都取得了令人满意的效果，具有一定的使 用价值。 关键字：铸造，数值模拟，前处理，网格剖分 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o u n d r yi n d u s t r yi sa ni m p o r t a n tp u l s eo ft h en m i o n a le c o n o m y , t h es i m u l a t i o n o fc a s t i n gp r o c e s si st h es i g nt h a tf o u n d r yi n d u s t r yf r o mt r a d i t i o nt om o d e r n i z a t i o n i n t h ec a s t i n gs i m u l a t i o ns y s t e m s ，t h ep r e - p r o c e s s i n gm o d u l ew o u l di m p o r tt h ed a t a m o d e la n dp r o v i d eg d st ot h ec a l c u l a t i o nm o d u l e ，t h er e s u l t sw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e s o f t w a r e sa p p l i c a t i o na n dp r o m o t i o n t h ep r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo fc a s t i n g p r o c e s s sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r ，a n dap r a c t i c a l ，s i m p l e p r e p r o c e s s i n gm o d u l eb a s e do n v i s u a lc + + 6 0w a s d e v e l o p e d t h eo p e n g ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw a sf i r s t l ys t u d i e di n t h i sp a p e r , t h e i n t e r a c t i v et e c h n o l o g yw h i c hc a nb eu s e di nt h em o d e l sm o v e ，z o o ma n dr o t a t i o nw a s p r o p o s e d ，i ta l l o w su s e r st ov i e wt h ed e t a i l so ft h em o d e lt h r o u g has i m p l ec l i c ka n d d r a gt h em o u s e s t lf i l ef o r m a ti st h ei n t e r m e d i a r yt h a tc o n n e c t st h ec a s t i n gc a d s o f t w a r ea n dt h ec a s t i n gc a s t i n gc a es o f t w a r e i th a st h ea s c i ic o d ea n dt h eb i n a r y t w od i f f e r e n tk i n d so ff o r m a t s ，t h ei n t e r f a c ep r o g r a ma p p l y i n gt ot h ea b o v et w ok i n d s o fs t r u c t u r ew a sp r o g r a m m e d ，w h i c he x t e n d e dt h es o f t w a r e ss c o p eo fa p p l i c a t i o n g r i dg e n e r a t i o ni st h ec o r ec o n t e n to ft h ep r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i nt h i s p a p e r , t h ed a t am o d e lw a sd i v i d ei n t og r i dr a p i d l yw i t h “t h es l i c es c a n n i n gm e t h o d ”， a n dt h ep r o g r a mu s e dt og r i dg e n e r a t i o nw a sp r o g r a m m e d i tc a l li d e n t i f yt h e b o u n d a r i e so fd i f f e r e n tm a t e r i a la u t o m a t i c a l l y i nv i e wo ft h ep r o b l e mo f “f i l eh o l e a n d “s i n g u l a rp o i n t a p p e a r i n gi nt h ep r o c e s sf o rg r i dg e n e r a t i o n ，t h ef a u l td i a g n o s i s a n df a u l t t o l e r a n ts y s t e mw h i c hc a nb eu s e dt oj u d g ea n de l i m i n a t ed e f e c t sw a s d e v e l o p e d t oe l i m i n a t et h e ”h i d d e nl i n e ”p h e n o m e n o n ，t h eg r i dl i n e sw e r em o v e da s m a l ld i s t a n c ef r o mt h eg r i ds u r f a c ei nt h ec o u r s eo fg r i dg e n e r a t i o n i nt h ec o u r s eo f 鲥dd i s p l a y , i tw i l lb eh e l p f u lt ot h ee l i m i n a t i o no fr e s p o n s el a gt oj u d g ea n dd i s p l a y t h es u r f a c e 鲥d w h e nd e s i g n i n gt h es o f t w a r ei n t e r f a c e ，t h ed e s i g ns t y l eo fs i n g l e d o c u m e n tt o m u l t i - v i e ww a sa d o p t e d ，a n dt h ei n t e r f a c ef u n c t i o nw a sa s l oo p t i m i z e da n de x p a n d e d b e s i d e sad r a w i n gw i n d o wt os h o wt h em o d e l ，as o f t w a r eo p e r a t i o nw i n d o wa n da m o d e la t t r i b u t ew i n d o ww e r ea d d e di nt h es o f t w a r e t h es o f t w a r eo p e r a t i o nw i n d o w 1 1 h a dt h et r e ev i e ws t m c t u r ew h i c hm a d et h es t e p sc l e a r t h em o d e la t t r i b u t ew l n d o w h a dt h el i s tv i e ws t r u c t u r e ，i tm a d eg a i n i n gm o d e li n f o r m a t i o ne a s y t h es o 脚a r e i n t e r f a c ei n t e r f a c eh a ss h o w e dt h ew o n d e r f u lc o m e m o ft h ep r o g r a me f f e c t i v e l y , f u l l y e m b o d i e dt h es o f t w a r e sf u n c t i o n ，a n db r o u g h tu s e r s t h ev i s u a le n j o y m e n t a p p l y i n gt h es o f t w a r ei ns o m ec o m p l e xc a s t i n g sg r i d g e n e r a t i o n ，t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h ep r e - p r o c e s s i n gm o d u l eh a da c h i e v e ds a t i s f y i n ge f f e c ti nd i v i d i n g p r e c i s i o n ，西dd i s p l a y , a n ds u r f a c ea r r a n g e m e n t ，h a d c e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：f o u n d r y n u m e r i c a ls i m u l a t i 。n p r e 。p r o c e s s i n g g r i dg e n e r a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：礁圆3 日期：幽： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将 本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理 工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 蹴引獬) 礁国走翩( 签釉：产期 武汉理i ：人学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 铸造过程计算机模拟是铸造学科发展的前沿领域，是当今世界各国专家学 者关注的热点，同时也是改造传统铸造产业的必由之路【l j 。前处理模块是铸造模 拟软件开发的基础，涉及到网格剖分，材质赋予等重要内容，影响到模拟时间， 模拟精度等问题，故而也是铸造模拟软件系统开发的一个关键所在。 本研究课题源于武汉理工大学与浙江力丰科技开发有限公司合作项目“低 压铸造数值模拟解析软件开发”。 1 2 铸造工艺的特点及行业发展 1 2 1 铸造工艺的特点及分类 铸造是指将熔炼好的液态金属浇注到与零件的形状和尺寸相适应的铸型型 腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法1 2 j 。 铸造是一种古老的金属成型方法，在我国具有悠久的历史，现今仍是零件 毛坯生产的主要方法【3 】。在漫长的工业发展史中，铸造技术也在不断的发生着变 革和发展，并成功衍生出了许多新型铸造方式，如熔模铸造，挤压铸造，离心 铸造，磁型铸造等，极大的丰富了铸造工艺，满足了人们对各种样式铸件生产 的需要。目前，由于用户对铸造中的铸造精度，铸造成本，铸件质量以及生产 自动化等方面提出了更高的要求，使得铸造工艺开始朝着高质量、低成本、大 型化、精密化、自动化和清洁化的方向发展。 铸造主要工艺过程包括：零件准备、金属熔炼、铸型制作、浇注凝固和脱 模清理等。铸造用的主要材料是铸钢、铸铁、铸造有色合金( 铜、铝、锌、铅等) 等。按铸型材料的不同，铸造可分为砂型铸造和特种铸造( 包括金属型铸造、 熔模铸造、陶瓷型铸造、压力铸造、低压铸造、挤压铸造等) ，而砂型铸造又可 以分为粘土砂型、有机粘结剂砂型、树脂自硬砂型、消失模等等【4 j 。在上面两种 铸造方法中，砂型铸造是最基本的液态成型方法，所生产的铸件要占铸件总量 武汉理t 火学硕士学位论文 的8 0 以上。当今，为了提高铸件的质量和生产率，特种铸造的应用也越来越 广泛。 铸造是制造毛坯、零件的重要方法之一，在机械制造中占有重要的地位。 就重量而言，铸件在机械设备中占据着很大的比例，如在一般的机械设备中铸 件约占总重的4 5 - - , 9 0 ，在机床、内燃机中约占7 0 - - 9 0 ，在汽车及农业机械 中占4 0 7 0 。铸造之所以能获得如此广泛的应用，是因为它与其他制造技术 相比，具有以下优越性1 5 j ： 1 ) 铸造工艺生产的产品种类广泛，包括：汽车、拖拉机零件、各种管道、 石油采矿等工程机械、电力设备、航空航天器材、交通运输设备以及军工产品 等。 2 ) 利用铸造工艺可制造形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯，如各种箱 体、汽缸体、阀体、机床机身和机座等。 3 ) 铸造成形的适用范围广。铸造生产批量不受限制，既适用于单件、小批 量的生产，也可进行成批、大量生产；铸件的大小不受限制，从几克的钟表零 件到重约数百吨的重型机架均可采用铸造工艺进行生产；对于某些塑性比较差 的材料，如铸铁等，铸造成形是制造其零件或毛坯的唯一成形工艺。 4 ) 铸造所采用的原材料来源广泛，价格低廉，可直接采用废机件，切屑等， 采用的设备费用也较低。 5 ) 铸件的形状和尺寸与零件比较近似，特别是某些特种铸造工艺可以生产 出近净型，甚至净型铸件，减少机加工量，节约了材料，降低了铸造成本。 但是，铸造成形的零件，其内部组织的均匀性、致密性一般较差。铸造成 形过程比较复杂，影响铸件质量的因素又比较多，所以在生产的过程中铸件容 易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼等铸造缺陷，产品质量不够稳定【6 j 。由于内部晶 粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形件低。 以上缺陷对铸件质量有着严重的影响。另外，在铸造车间中，工人的劳动条件 也较差。随着科学和技术的不断发展，新工艺、新技术和新设备日益得到广泛 的应用，以上这些缺点正在逐步的得到改善。 1 2 2 铸造行业的发展趋势 面向市场经济，迎接全球化竞争的挑战，为国民经济的发展作贡献，就要 十分重视制造业特别是铸造行业的发展。因为：无论是传统材料还是新材料( 统 武汉理：人学硕十学位论文 称为先进材料) ，只有及时通过铸造等成形制造工艺做成高质量工件或零部件， 才能服役于国民经济各部门。此外，材料的最终结构、性质及使用性能是通过 铸造等成形制造过程获得的，铸造过程的本质就是既要控制铸件的形状，更要 控制它的组织和性能。 近年来，铸造行业已成为国家工业不可缺少的部分，渗透到了国民生产的 各个部门，主要表现在以下方面【7 8 l ： 1 新世纪下交通运输业发展迅速，交通工具中许多重要零部件都需要通过铸 造成形的方式得到； 2 航空航天、国防、兵器等工业中采用了很多新型材料，它们的成形需要依 靠铸造技术； 3 堵邑源动力等工业中，许多大型装备的生产包含有很多铸造关键技术； 4 日用家电，轻工等产业中，铸造成形是一种重要的生产工艺。 面对全球信息、技术空前的高速发展，机械制造业尤其是装备制造业现代 化水平的高速提升，中国铸造业当清醒认识到自己的历史重任和与发达国家的 现实差距，大胆利用人类文明的最新成果。 目前，我国在铸件生产方面自2 0 0 0 年起已连续6 年超越美国，稳居世界铸 件生产第一大国之位，其中2 0 0 5 年铸件产量为2 6 0 0 万吨，年产值已超过2 5 0 0 亿元。我国虽是铸造大国，但却远不是铸造强国。我国铸造行业的发展与国外 工业发达国家相比，仍有很大差距，制约着国民经济的发展，主要表现如下f 9 】： 1 ) 发达国家铸造技术发展现状发达国家在铸造生产中，注重高新技术的 应用，生产的铸件技术含量高，附加值高，质量稳定，高性能优质铸件以及轻 金属铸件在其中占有相当大的比例。在生产过程中已实现机械化，自动化和智 能化，生产效率高，环境污染少。 2 ) 国内铸造技术发展现状国内关于铸造的理论较为成熟，很多成果己达 到了世界先进水平，但应用于生产的程度较低。国外已有的高新技术在国内的 应用也不够普遍，仅仅局限于一些骨干类企业。国内生产的铸件与国外相比， 缺陷较多，质量也不够稳定。在铸件出口方面主要以廉价的灰铸铁件为主，附 加值较高的轻金属件，精密铸件在出v i 总量中所占份额较低i l0 1 。国内铸造生产 环境较差，工人劳动负荷重，污染也较为严重。 当今世界，全球制造加工企业之间的竞争越来越激烈，随着我国逐步建立 社会主义市场经济体制，特别是加入世贸组织后，国内市场已成为国际市场的 一部分，国内制造加工业要赢得竞争，就要以市场为中心，以满足顾客需求为 武汉理一i ：人学硕十学位论文 主线，以技术创新为驱动力，快速地响应市场变化，并迅速占领市场。 铸造业是制造业的重要组成部分，与整个制造业一样，同样面临着经济全 球化的挑战。为适应制造技术发展需求，铸造技术朝着以下方面发剧1 1 ，1 2 ，1 3 】： 1 镁、铝合金等轻量化铸件在铸造生产中的比重加大； 2 消失模铸造，压力铸造等精密铸造技术成为铸造业重点发展的领域； 3 数字化，网络化铸造技术将成为铸造技术研究的热点； 4 绿色铸造等洁净化铸造技术成为铸造业发展的新趋势； 5 极大、极小、极薄、极精密等极端条件下的铸造技术是新世纪铸造业发展 的重要方向。 总之，2 1 世纪是一个充满挑战同时也充满着机遇的时代，在这样一个大的 形势下，作为国民经济重要一脉的铸造业必将以更强劲的势头发展，为国家经 济的发展做出更大的贡献。 1 3 铸造过程计算机模拟技术发展概况 1 3 1 国内外铸造过程数值模拟技术发展概况及趋势 铸造工艺历史悠久，近代铸造工艺逐渐发展成了一项工程技术，但仍然不 能成为一个完整的科学体系。当前在铸造领域主要存在以下问题【1 4 , 1 5 , 1 6 】： 1 ) 铸件品质不高，生产周期长，成本高等因素严重的消弱了铸造业在产业 全球化竞争中的优势。 2 ) 依靠经验进行生产的模式耗费了大量的时间，造成了能源与材料的浪费。 3 ) 铸造技术的传承出现断层趋势，影响到铸造业的发展前景。 由于以上原因，铸造技术员迫切希望一种简单而又实用的新型技术的出现， 铸造模拟技术正是在这样的需求下得到提出的。 国外对于此方面的研究开展较早，最早可追溯到上世纪4 0 年代，当时哥伦 比亚大学的p a s c h k i s 教授在美国铸造学会的资助下，利用大型模拟计算机对凝 固过程进行了研究。1 9 6 2 年，丹麦学者f u r s u n d 首次采用计算机，对铸件凝固 过程温度场进行了模拟，计算结果与实测结果相近，至此拉开了对铸造过程计 算模拟技术研究的序幕，此后的世界各发达国家相继进入了此方面的研究【i 。 纵观铸造过程计算机模拟的发展，经历了一个由简到繁，由单一到综合的 过程。 4 武汉理j ：人学硕+ 学位论文 从模拟中选用的数据模型来看，铸造过程数值模拟经历了由二维到三维， 由简单到复杂的转变过程【1 8 1 9 , 2 0 , 2 1 1 。在研究的初始阶段，由于计算机硬件发展 程度较低，关于铸造模拟技术的理论还不够成熟，各国专家纷纷采用简单的二 维模型进行模拟实验。如：1 9 8 3 年，美国匹兹堡大学的r a s t o e h r 和w s h w a n g 首先应用二维流体流动计算软件m a c 模拟了液态金属流入一矩形水平型腔和 阶梯式垂直型腔的充型过程。1 9 8 5 年，匹兹堡大学的c m w a n g 计算了一个三 爪滑轮的二维充型过程，计算结果与实测结果基本一致。随着计算机技术的发 展，相关研究理论的成熟，模拟模型的维度也得到了有效的扩展，开始由简单 的二维模型向三维模型迈进。美国匹兹堡大学w s h w a n g 将s o l a 与m a c 结 合起来模拟了试件三维充型凝固过程，并在水力模拟实验验证和压力迭代不收 敛问题的处理上做了较多的工作。1 9 8 6 年，美国a r g o n n e 国家实验室的 h m d o m a n u s 等人又对一个简单形状铸件的三维流动和传热过程进行了模拟。 从模拟过程来看，铸造过程数值模拟经历了由凝固模拟向充型模拟的发展 过程【2 2 ，2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 1 。由于充型过程涉及到质量、动量和能量传递，液体金属在流 动的过程中多为紊流，自由表面复杂，所以数值模拟难度较大，这导致了它的 出现滞后于凝固过程模拟。从6 0 年代初期铸造模拟研究丌始到8 0 年代初期， 各国专家的研究重点倾向于凝固过程模拟，虽然在充型方面也有研究，如1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的h a r l o w 和w e l c h 提出了用于充型计算的m a c 算法， 随后，美国国家实验室l o s a l m a o s 的h i r t 和n i c h o l s 于1 9 8 1 年提出了用于自由 表面处理的v o f 方法。这些方法虽然在后续的充型模拟中得到了广泛的应用， 但直至八十年代初期，我国台湾著名学者黄文星先生首先将计算流体动力学的 研究成果应用于解决铸造充型问题，铸造充型过程的流场分析才开始成为铸造 过程数值模拟领域的研究热点。 与国外相比，国内对于铸造模拟技术的研究开展的相对较晚，但发展却是 极其迅速。经过铸造领域学者的不懈努力，在模拟研究方面取得了许多令人满 意的成果，并成功开发了多款实用的模拟软件1 2 7 , 2 8 】。 从六十年代铸造模拟技术问世到现今的近半个世纪中，铸造模拟理论和技 术得到了不断的丰富，完善和发展。伴随着模拟技术的发展，铸造成型技术也 在不断的进步，并对铸造模拟技术的发展提出了新的要求，促使其向着更深， 更广的方向迈进。近年来，铸造成形模拟技术具体发展趋势有如下几个方面1 2 9 ， 3 0 】： ( 1 ) 模拟尺度由宏观走向微观 武汉理r 大学硕十学位论文 铸造过程计算机模拟研究的重点内容是通过模拟实现对铸件充型凝固过程 的形状、尺寸以及轮廓进行预测，分析铸造缺陷产生的机理。对于形状轮廓的 预测可通过分析宏观的流场和温度场来得到，但对铸造缺陷的分析则需要深入 到微观领域。铸造过程数值模拟微观研究的内容主要包含结晶生核长大、树枝 晶与柱状晶转变等过程，涉及偏析、扩散、气体析出、相变等内容。同时，对 铸件应力应变状态的分析也必须深入到微观领域。所以，铸造过程计算机模拟 由宏观走向微观是模拟技术发展的一个趋势。 ( 2 ) 考虑多物理场和多尺度模拟的整体优化设计 铸造模拟技术研究在初始阶段多以单一的温度场，速度场，应力应变场为 研究对象，不考虑各自之间的相互影响。但铸造过程是一个相对复杂的过程， 在流动或凝固的过程中，速度，压力等流场因素会对温度场和应力应变场产生 影响，反过来温度场也可反映和预测流场和应力应变场的状态，所以仅仅考虑 单一场与现实不符。为了真实的反映铸造过程，模拟技术开始将对流场，温度 场和应力应变场的数值模拟进行耦合，从而更为精确的预测生产中将会出现的 问题，得出一个实用的工艺改进方案。 ( 3 ) 并行化、敏捷化、数字化、网络化 铸件的生产涉及到产品设计，质量控制以及试制等内容，在整个铸造工艺 中占据大量的时间，同时也将耗费高额的成本。将并行工程、敏捷化工程等内 容引入到铸件的生产过程将有效的缩短生产周期，降低生产成本。 铸造过程数值分析有助于铸造技术人员摆脱传统生产方式的束缚，为工艺 方案的改进提供指导。将铸造c a e 软件产生的分析数据纳入产品数据管理系统， 进行统一化管理，实现在不同系统之间的信息共享，将有利于减少数据分析的 时间，同时也将为其他设计人员提供数据参考。 另外，在互联网技术高速发展的今天，利用网络环境实现异地设计与制造 将有效的整合不同地域的优势，促进铸造业的飞速发展。 网络环境下铸件的并行化、敏捷化设计，以及设计与分析数据的管理与共 享已成为铸造业今后发展的一个重要方向。 1 3 2 铸造模拟软件的发展 近年来，随着计算机技术的发展，铸件成形理论的不断完善，以及各国政 府和企业的大力支持，相应的用于实现铸件充型和凝固可视化模拟的商业化软 6 武汉理一l 人学硕+ 学位论文 件被不断的推出。起始阶段，模拟软件多以实现温度场分析为主，后来又添加 了速度场，压力场的分析，并开始向微观组织领域发展。表1 一l 是一些主要商品 化软件的名称，开发商，算法和功能。由于计算量庞大，部分软件需要在工作 站上运行，但这并没有对它们的使用和推广构成威胁。目前，这些软件中的大 多数已经在铸造行业得到了广泛的应用，取得了很好的经济效益。可贵的是， 国内开发的几款模拟软件已开始被多家企业所接受，呈现出了良好的发展势头。 表1 1 几种主要铸造c a e 软件对比 软件名称 开发商算法分析内容应用范闱 流动与传热，应力， p r o c a s t美国u e s 公司f e m大多数铸造工艺 电磁铸造 p a m c a s t 法国e s i 公司 f e m 流动与传热大多数铸造工艺 t m 韩i 亘a n y c a s t i n g a n y c a s t i n g f m d 流动与传热大多数铸造上艺 公司 法i 雪p e c h i n e y 铝 低压铸造，重力铸造， s i m u l o r f v m 流动与传热 业精密铸造，金属型铸造 日本高力科公司 j s c a s td f d m 流动与传热，应力大多数铸造- 【：艺 和人阪人学 流动与传热，应力， f t - s t a r中国艄华人学f m d 某些铸造工艺 微观组织 中国华中科技人 华铸c a e f m d 流动与传热大多数铸造工艺 学 低压铸造，差压铸造， c a s t s o f t中国华北工学院 f m d 流动与传热重力铸造，精密铸造， 倾斜铸造 1 3 3 铸造过程前处理技术的发展和研究现状 网格剖分是数值模拟前处理软件中的核心部分，也是前处理软件所要完成的 一项重要工作。 有限差分网格剖分【3 1 】过程实际上就是利用众多的长方体网格去近视被剖分 的实体模型，此过程完成的好坏将直接影响到网格模型近似实体模型的精度。 7 武汉理l 人学硕士学位论文 同时，数值模拟又以网格模型为计算对象，所以网格剖分过程也将直接影响到 计算的精度和计算的效率，并最终影响数值模拟过程与实际生产过程之间的差 异问题。 对于铸造模拟而言，模拟过程还将会涉及多种不同材质网格之间的数值计 算，这是因为在整个铸造过程中，不仅有铸件，还有铸型，保温体，冷却水等 实体，对于不同的实体，在划分时，需要对每个实体范围内的网格赋予不同的 材质属性，这样才能保证在后续的模拟计算中得到有效的计算结果。所以对于 铸造模拟的网格剖分而占，不仅要综合考虑计算精度和计算效率而确定合理的 网格密度，同时还要能够实现网格的多材质。综上可见，网格剖分是一项复杂 的工作，但也是数值模拟中至关重要的一环。所以，找寻一种快捷，方便，准 确的网格剖分方法一直是数值模拟领域研究的重点，而国内外的多家机构基于 此也进行了大量的研究。 1 9 9 4 年华中理工大学袁浩洋，闵光国等人提出了一种适用于有限差分法凝 固过程数值模拟的实用三维几何造型方法。这种方法是采用参数化的球体、长 方体、圆柱体和三棱柱体等4 种基本形体拼合实体，然后把各形状范围的空间 进行网格剖分，然后对每一点进行位置及属性的记录，把同一物质属性的点排 列出来，即可得到三维几何实体图形。它的数据结构本身就是几何实体的形状， 因此占用内存少，操作方便，运算速度快【3 2 】。 1 9 9 5 年哈尔滨科技大学吴士平，潘显荣等人基于g a l 原理开发了造型和剖 分软件，该软件用7 种基本实体( 长方体，扇形体，圆柱体，四棱锥，球体， 圆台体，三棱柱) 及基于g a l 的布尔运算来描述实体。其中g a l 数据结构定 义了部件表、体素表、体素信息表及材质属性表，分别用来存放体素的名称、 位置、类型和属性等信息。采用截面组合法和彩色识别方法相结合，将复杂的 三维网格的剖分转化为了简单的二维问题1 3 引。 1 9 9 5 年沈阳铸造研究所徐雪华，苏仕方等人也采用了类似的体素法对实体 模型进行描述，所不同的是他们在开发的s i m 3 d 软件包的造型以及剖分软件 c s g 3 d 和m e s h 3 d 中，设置了2 l 类基本形体来进行造型的组合。剖分时采用各 剖分单元的中心点作为代表，确定出剖分单元的属性，实现了铸件造型的变步 长剖分【3 4 】。 1 9 9 7 年华中理工大学闵光国，袁国强等人在a u t o c a d 基础上进行了二次开 发，利用a d s 开发环境和a m e 的a p i 编程接口编制了适用于复杂形状、多材 质铸件的实体造型及网格剖分应用程序，并提出了用于实体剖分的“线穿透法 8 武汉理j ：人学硕士学位论文 ( 即沿着与任一坐标轴平行的方向引出许多等长度、等间距、分布均匀的线段， 利用这些线段穿透实体并被实体分割成在实体内，实体上和实体外的三类线段， 根据线段位于的位置的不同而赋于不同的材质，记录下线段坐标，并将其转化 为相应单元属性的网格位置坐标) 。该应用程序具有较强的使用性，是从事铸件 温度场和流动场数值模拟研究的一个实用的实体造型及网格剖分程序【3 5 】。 1 9 9 7 年哈尔滨工业大学王喜军，徐达鸣等人以a u t o c a d - - - a m e 输出的d x f 文件为研究对象，通过体素拼合树来记录空问中几何模型的所有体素进行拼合 运算的过程，并将实体信息通过遍历二叉树的形式，将其归结为实体内、实体 上、实体外三部分，采用变步长进行非均匀网格剖分，在内存消耗较少的前提 下极大的提高剖分效率，从而使得程序具有多种应用的适应性1 3 6 。 2 0 0 1 年西安科技学院李占利在对s t l 文件进行分层研究时提出，s t l 文件 中三角面片的排序和剖分过程轮廓线的生成是影响分层速度的两个重要因素。 为提高分层速度，根据三角面片所具有势能的差异将面片进行了归类和排序， 对分层过程轮廓线生成算法也进行了优化。最终开发了款快速分层软件，具 有一定实用价值1 3 7 j 。 2 0 0 3 年东南大学邱宗文等人通过切片法实现了对s t l 文件的有限差分网格 剖分。重点提出了在剖分过程中通过将剖分平面微量偏移来消除“奇异点”的 处理方法【3 引。 2 0 0 6 年东南大学的梁英业等人在对直角坐标系下网格生成技术研究的基础 上，提出了适体坐标网格剖分技术。具体过程为：利用椭圆微分方程，得出平 面区域的适体网格的剖分，添加高斯方程，得出二维平面与三维平面之间的转 换关系，生成三维曲面的适体网格。通过该方法生成的网格模型过度平滑，能 很好的近似具有较多复杂曲面的实体【3 9 1 。 1 4 本课题的研究意义及研究内容 1 4 1 本课题研究的意义 现阶段，当铸造工艺在制造业中的地位越来越突出的同时，其弊端也逐渐 显露出来。传统的铸造生产方式主要通过经验判断来对工艺进行分析和改进， 没有一个定量的指标，这必将产生多次的试浇，导致材料和时间的浪费。另一 方面经验的积累本身也是一个耗费大量时间的过程，还受到个人天赋等因素的 9 武汉理工人学硕十学位论文 影响。所以在全球竞争如此激烈的今天，此种生产方式显然已难以满足国民经 济发展的需求，这就迫切需要在铸造领域中进行一场改革。世界各国在铸造成 形加工技术的发展趋势方面，认识是一致的，其中重要的一点便是用计算机模 拟仿真逐步代替传统的经验性研究方法。将计算机模拟应用于铸造过程中，来 确定工艺参数，优化工艺方案，预测过程中可能出现的缺陷及采用的应对措施 达到优质，高效，低耗，清洁，经济的目的。计算机模拟仿真是包括铸造在内 的热加工工艺研究由定性走向定量，由经验走向科学的重要标志。因此在铸造 过程计算机模拟方面开展深入的研究工作将为铸造工艺优化设计提供基础数据 和理论依据。 到目前为止，通过铸造工作者几十年不懈的努力，铸造过程计算机模拟技 术已趋于成熟，涌现出了许多实用的铸造数值模拟软件。对于这诸多的软件， 除了由于采用算法差异所引起的计算精度、模拟可靠性等方面略有高低之分外， 最大的区别就体现在前处理模块中网格剖分的方式，界面的优化设计以及操作 的简便性等方面，这部分尚有大量的工作要完成，在以后铸造模拟发展中也将 起到举足轻重的作用，这是因为： ( 1 ) 对于铸造模拟软件而言，尽管其计算模块很重要，但计算一般在后台进 行，很难看出各个软件之间的差异。用户能够直观感受的只是前处理部分，一 个界面合理，操作简便的软件更能被用户很好的接受，对于软件的推广也将提 供极大的方便。 ( 2 ) 随着铸造模拟技术的发展，对于计算速度，模拟精度，以及显示效果等 方面提出了更高的要求，作为其中重要一环的前处理模块也需要与此发展趋势 相适应，对于其的研究也要进一步的深入和发展。 综上，在追求节能环保的今天，铸造过程计算机模拟已成为铸造行业发展的 必然。前处理技术在整个数值模拟中又占据着至关重要的地位，对其开展研究 将有效的促进数值模拟技术的发展，具有深远的意义。同时，通过研究得到的 与前处理技术相关的成果也将有助于本课题组进一步工作的开展。 1 4 2 本课题研究的内容 本课题在查阅大量参考文献和借鉴国内外成熟的商品化软件所具有功能的 基础之上，旨在以v i s u a lc + + 6 0 1 4 0 】为开发平台，三维图象处理为关键技术，通 过相关程序的编制，开发出一款实用性强，界面友好的软件，为铸件的铸造过 1 0 武汉理r 【人学硕七学位论文 程计算机模拟提供一套功能完备，使用方便，快速、直观的前处理技术。 为实现以上目标，本文在以下几方面进行了详细的研究： ( 1 ) 数据文件的读取与显示 以s t l 文件作为连接铸造c a e 软件与c a d 软件的桥梁，将c a d 软件中 创建的铸件三维模型转存为s t l 文件，通过开发的前处理模块，将该s t l 文件 读入铸造c a e 软件当中，并对其模型形状进行还原，绘制出线框模型。 ( 2 ) 交互式操作 软件使用者在使用软件时，一般都要求能够通过敲击键盘或点击鼠标来实 现对软件中模型的操作。为了满足这一需求，提高软件的应用性，本文通过程 序的编制，实现了数据模型与输入设备的关联，在查看模型的过程中，用户只 需简单的点击、拖动鼠标，即可实现对场景中模型的旋转，平移，缩放等操作。 ( 3 ) 三维模型的网格剖分 对于数据模型进行网格剖分是前处理技术研究的核心内容，它直接关系到 后续计算模块以及后处理模块功能的实现。本文将以导入的s t l 文件为输入数 据，通过有限差分的方法，将原有的线框模型划分为网格模型。针对网格剖分 过程以及显示过程出现的问题，开发了用于自动处理s t l 文件孔洞以及奇异点 问题的错误诊断与容错系统，提出了用于网格显示的表面网格和网格偏移算法。 ( 4 ) 界面功能增强及优化 一个布置合理的软件界面，将给用户带来视觉上的美观，同时也能将繁琐 的功能加以分解，给人以简明直观的感觉。本研究课题中，为增强软件的功能 和满足视觉的需要，在软件设计过程中采用单文档多视图的形式，即除了用于 显示模型的图形绘制窗口之外，还将添加用于软件操控的树状视图和用于显示 模型属性的列表视图。 武汉理工大学硕十学位论文 第2 章软件及技术支撑 2 。1o p e n g l 概述 人们周边是一个充满形形色色三维物体的世界，为使这些物体在计算机中 得以呈现，必须采用三维空间来描绘这些物体。同时现今的世界又是一个信息 化的多元世界，能否及时的获取和应用这些信息将直接关系到事业的成败，所 以我们需要在研究的过程中采用一种最直接的方式去表达这些信息，用最逼真 的模型去反映这些信息所涵盖的内容。经过最近几年计算机图形学的发展，三 维表现技术得以形成，这些三维表现技术能够真实的再现三维世界中的物体， 能够用三维形体来表示复杂的信息，这种技术就是可视化( v i s u a l i z a t i o n ) 技术。 人们对计算机可视化技术的研究已经历了一个很长的历程，而且形成了许 多可视化工具，其中s g i 公司推出的o p e n g l 三维图形库表现突出，易于使用 而且功能强大。 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是一个优秀的三维图形硬件的软件接i z l ，是 一个三维图形和模型库，同时还是一个与硬件无关的图形编程接口，可以在不 同的硬件平台上实现1 4 。o p e n g l 最初是s g i 公司为其图形工作站开发的可独立 于窗口操作系统和硬件设备的图形开发环境，其目的是将用户从具体的硬件环 境和操作系统中解放出来，而可以完全不去理解这些系统的结构和指令系统。 其自身包含一百多个图形函数，用于访问和操作图形硬件所提供的各种功能。 这些函数不要求用户把模型写成固定的函数格式，这样开发人员既可以直接采 用自己的数据也可利用其它不同形式的数据源，具有很大的灵活性，便于程序 开发人员利用o p e n g l 快速绘制出真实感很强的三维图形，极大的节省了时间。 目前，由于一方面o p e n g l 比较接近硬件，能被越来越多的高速图形加速卡支 持，在采用o p e n g l 进行绘图时可以获得很快的执行速度。另一方面它在三维 真实感图形制作中具有优秀的性能并能在w i n d o w s9 5 9 8 ，w i n d o w sn t 2 0 0 0 ， m a c o s ，b e o s ，0 s i 2 及u n i x 等诸多系统平台上应用，使得o p e n g l 被广泛接 受，成为了高性能的图形和交互视景处理的工业标准。三维c a d 软件广泛使用 o p e n g l 进行图形绘制与仿真，已有几十家大公司采用o p e n g l 作为标准图形的 软件接口。 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 o p e n g l 本身不提供高级的造型命令，而是通过基本的几何图元点、线段和 多边形来描述几何模型。用户可通过这些基本图元来建立高级的几何模型。归 纳起来，o p e n g l 提供的功能包括以下几个方面： ( 1 ) 图形绘制o p e n g l 是一个三维图形函数库，通过使用基本图元点、线段、 多边形来绘制描述三维图形和场景。这些基本图元都是首先由顶点确定，然后 再构建成更为高级的模型和场景1 4 2 。 ( 2 ) 变换操作在对物体进行观察，特别是显示模型细节时，用户往往希望 能对观察的角度、方向和距离进行控制，即能够实现对模型的放缩、转动和平 移等操作。针对一些具有复杂内型的实体，还要求能对模型进行任意的剖切， 以了解其内部结构。在o p e n g l 中，这些需求可通过一系列的变换操作来实现。 o p e n g l 提供了一系列基本的变换操作：如使用投影变换定义一个视景体；几何 变换可以使物体在三维场景中平移、旋转和缩放；视点变换可以使得用户从不 同角度去观察物体；裁剪变换可以定义裁剪平面；视口变换决定怎样把图形映 射到屏幕上。 (