（材料科学与工程专业论文）铸件凝固过程应力场数值模拟集成系统的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t n 啪e r i c a ls i m u l a t i o no f c a s t i n g s m o l df i l l i n ga n ds o l i d i 矗c a t i o np r o c e s s e si st h ea d v a n c e d r e g i o ni nf o 蛐d r y ，i ti sa l s om eo n l yw a y v i aw 1 1 i c ht om o d e m i z et h ct r a d i t i o n a lf b l l i l d r y i n d u s t r y c o m p a r e dw i 也t e m p e r a t u r ef i e l ds i m u l a t i o n 锄dn u i df i e l dc o m p u t a t i o n ，m e 8 t r e s “s t r a i nf i e l da n a l y s i ss t a n su pl a t c ra 1 1 dp r e s e m l yi sy e ti m m a t u r e ，s ob e c o m e s t l l eh o t s p o to fm a c ms i m u l a t i o n s t r e s sf i e l dc a l c u l a t i o nc a nh e l pf o u n d r ye n g i n e e r sp r e d i c ta i l d a n “y z en a w ss u c h 懿c r a c k ，d e f 0 咖a t i o n 锄dr e s i d u a is t r 七s s e ss oa st op r e s e n ts c i e n t 湎c r e f b r e n c et oe l i m i n a t cd e f c c t sc a u s e db ys 船s s 锄ds t r a j n ，o p t i m i z cf o u n d r yt e c 】1 l l o 】o g ya n d i n c r e 船ed i m e n s i o n a lp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yo f c a s t i n g s a d o p t i n gf d m 佰e mi m e g r a t i o nm e t i i o d ，ag e n e r a in 啪e r i c a is i m u i a t i o ns o f t w 盯ep a c k a g c f o rt e m p e r a t u r e 觚ds t 佗s sf i e l d sd u r i n gc a s t i n g s s o l i d i f i c 砒i o np m c e s s e sj se s t a b l i s h e do n m i c r o c o m p u t e ra j l d w i n d o 、v sp 】a b 瑚t h j ss y s t 啪t a l ( e s 如】1a d v a n t a g e so fm a t u r e t e i n p e r a t u r ef i e l dc o m p u t a t i o nr e s u l t s 锄dg e n e r a lc o m 删 r c i a lf e ap a c k a g ca i l dc a nb e u s e dt os i m u l a t et h ef b r i l l i n go fr e s i d u a ls 眦s s e sa i l dp r e d i c tt l l e0 c c u r r e n c eo f h o t t e a d n g am o d u l et 0t r 叽s f e rt e m p e r 曲【l f el o a df r o mf dt of e m o d e l ，w h i c hi st 1 1 ek e yt e c h i l i c a l p r o b l e mo fi n t e g r a t i n gt e m p e r a m r c 蚰ds 眦s s 锄a l y s i s e s ，i sd e v e l o p e d t h et r a i l s f e r 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e so f b a rc 船t i n gh a v eb e e ns t u d i e d t h eo n em 砒 c o u p i e sz d i r e c t i o n a ld i s p l a c e m e n to fn o d e so ni m l e rs u r f a c e so f c r o s s b e 枷sa g r e e sb e t t e r w i t bt h ea c t u a le x p e r j m e n t a c c o r d i n gt ot h es i m u 】a t i o nr 镪u 】t s ，s t r e s s e s d e v e l o p i n gh i s t o r y o fd i f r e r e n t p o s i t i o n si si n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，w h i c hs h o w sg o o da g r e e m e m w i 山g e n e r a l l y a c c e d t e d1 1 l l e s - _ll-_h 华中科技大学博士学位论文 p o u r i n ge x p e r i m e n t so ft y p i c a lb a rs h a p e a n d0s h a p et e s ts p e c i m e n sh a v eb e e nc a 盯i e do u t i nl a b o r a t o mc o o l i n gc u r v e sa 1 1 dr e s i d u a ls 恤s s e so fm a i n p a n s a r em e 懿u r e d ，w h i c ho 鼠r t h ef i r s t h a n dd a t ao fs o r w a r ev e r i f i c a t i o n i na d d i t i o n ，p r e - p r o c e s s i n gm o d u l eo f f o u n d r yc a es y s t e m i ss t u d i e d 吼daf dm e s ha u t o 。 g e n e r a t i o np r o g r a mb a s e do na c i s a w e l l k n o 伽3 dg e o m e t r i cm o d e l i n ge n g i n e ，i s w o r k e do u t i tt u m ss e 锄l e s sc o n n e c t i o nb e t 、v e e ni n t e g m t i o nf o t i i l d r yc a es y s t e ma i l d h o m e3 dc a d p l a t f o n n i n t or e a l i t y t h es p e e do fn o wf i e l dc o m p u t a t i o nd u r i n gm o l df i u i n gp r u c e s sn o wb e c o m e st h ek e y f h c t o rt h a th 踟p e r st 1 1 ep o p u l a r i 朋t i o no f i n t e g r a t i n gc a es y s t e m a i m i n g a tt l l i ss i t u a t i o n ， a 1 1i d e at h a tu t i l i z e sp a r a l l e l r t u a l m a c h i n e ( p v m ) t e c h n o l o g y t oa c c e l e r a t em e c a l c u l a t i o ns p e e do fn o wf i e l di ss t a t e da n dp r i m a r ys t u d i e sh a v eb e e nc o n d u c t e d 1 h i s w o u l db eo n eo ft i l ef c 船i b l e 印p m a c h e st h a tc o u l ds t r e n g t l l e ne m c i e n t l yt l l ep r a c t i c a b i l i t y o f h z c a eb a s e do nc u r r e n th a r d w a r ec o n d j t i o n sa n dt e c t l f i i c a ll e v e l s k e y w o r d s ：s t r e s sf i e l d c a s t i n g ss 0 1 i d i f i c a t i o np r o c e s s f d m ，f e mi n t e g r a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i i 华中科技大学博士学位论文 1 1 选题的背景和意义 l 绪论 铸造，是历史悠久的传统产业，在国民经济中有着举足轻重的地位。先进制造 技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方 向发展。2 l 世纪也是使用高性能材料的世纪，是呼唤“绿色”环保材料的时代。我 国成形加工工业虽历史悠久，但与国外相比有较大差距，它严重制约着国民经济的 发展。因此，如何适应市场经济发展的需要，迎接全球化竞争的挑战，成了摆在 我国铸造行业面前的重要课题。要应对激烈的市场竞争，不仅要求产品有好的质量 和低成本，还要求企业能快捷地对市场变化做出反应，这就需要有强大的工艺设计 能力，并能依靠先进的信息技术快速价廉地推出产品，在市场竞争中占得先机。 要缩短新产品的试制周期，降低试制费用，优化现有产品的工艺，减少废品率， 必须要研究铸件的形成过程。传统的铸件生产多采用试错法，对于大型铸件或新产 品开发来说，往往需要反复试制，这样不仅周期长、浪费大，而且很难保证质量。 因此，在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、大小及发 生时间进行有效的预测，从而在浇注前就采取对策，以确保铸件质量，是可行的途 径之一。计算机技术的飞速发展以及在铸造中的广泛应用。使得这一梦想变为现实。 该技术以数值计算为基本方法，结合传热学、流体力学、弹塑性力学、流变学、结 晶学以及物理化学等学科的研究成果，对铸件充型过程的流动场。凝固过程的温度 场、应力场及微观组织形貌进行模拟，可以打破“睁眼造型，闭眼浇注”的传统模 式，使工程技术人员对铸件充型过程中金属液的流动形态、凝固过程的温度场分布、 应力场的形成和分布，结晶晶粒的形成、生长、尺寸及形貌等信息有清楚的了解， 并以此为依据，预测是否会产生缩孔、缩松、夹杂、偏析、裂纹等缺陷，进而对工 艺方案进行改进，通过反复的“电脑试浇”和比较分析结果，最终获得最优生产工 艺，此过程也称为“虚拟铸造”。通过虚拟铸造，可以保证铸件质量，提高工艺出品 率，减少对经验的依赖，增进科学决策，缩短试制周期，节省试制费用，最终增强 市场竞争优势，迎接经济全球化的挑战。因此，专家指出：铸件充型凝固过程的计 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，具有重大 的学术价值和工程实用意义1 2 】。 铸件凝固过程应力场的数值模拟分析能够帮助铸造工程师预测和分析铸件裂 华中科技大学博士学位论文 1 1 选题的背景和意义 l 绪论 铸造，是历史悠久的传统产业，在国民经济中有着举足轻重的地位。先进制造 技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方 向发展。2 l 世纪也是使用高性能材料的世纪，是呼唤“绿色”环保材料的时代。我 国成形加工工业虽历史悠久，但与国外相比有较大差距，它严重制约着国民经济的 发展。因此，如何适应市场经济发展的需要，迎接全球化竞争的挑战，成了摆在 我国铸造行业面前的重要课题。要应对激烈的市场竞争，不仅要求产品有好的质量 和低成本，还要求企业能快捷地对市场变化做出反应，这就需要有强大的工艺设计 能力，并能依靠先进的信息技术快速价廉地推出产品，在市场竞争中占得先机。 要缩短新产品的试制周期，降低试制费用，优化现有产品的工艺，减少废品率， 必须要研究铸件的形成过程。传统的铸件生产多采用试错法，对于大型铸件或新产 品开发来说，往往需要反复试制，这样不仅周期长、浪费大，而且很难保证质量。 因此，在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、大小及发 生时间进行有效的预测，从而在浇注前就采取对策，以确保铸件质量，是可行的途 径之一。计算机技术的飞速发展以及在铸造中的广泛应用。使得这一梦想变为现实。 该技术以数值计算为基本方法，结合传热学、流体力学、弹塑性力学、流变学、结 晶学以及物理化学等学科的研究成果，对铸件充型过程的流动场。凝固过程的温度 场、应力场及微观组织形貌进行模拟，可以打破“睁眼造型，闭眼浇注”的传统模 式，使工程技术人员对铸件充型过程中金属液的流动形态、凝固过程的温度场分布、 应力场的形成和分布，结晶晶粒的形成、生长、尺寸及形貌等信息有清楚的了解， 并以此为依据，预测是否会产生缩孔、缩松、夹杂、偏析、裂纹等缺陷，进而对工 艺方案进行改进，通过反复的“电脑试浇”和比较分析结果，最终获得最优生产工 艺，此过程也称为“虚拟铸造”。通过虚拟铸造，可以保证铸件质量，提高工艺出品 率，减少对经验的依赖，增进科学决策，缩短试制周期，节省试制费用，最终增强 市场竞争优势，迎接经济全球化的挑战。因此，专家指出：铸件充型凝固过程的计 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，具有重大 的学术价值和工程实用意义1 2 】。 铸件凝固过程应力场的数值模拟分析能够帮助铸造工程师预测和分析铸件裂 华中科技大学博士学位论文 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的依据。铸件充型凝固过程的流动场、温度场计算机模拟仿 真经历了数十年的发展，已进入工程实用化阶段，而应力场模拟起步较晚，现在发 展还不成熟，因此成为铸造过程宏观模拟的研究热点口l 。 华中科技大学凝固模拟科研组从1 9 8 5 年便开始了铸造凝固过程数值模拟的研 究，至今已经有十多年的历史，现开发有自主版权的商品化软件华铸c a e 系统。它 以铸件充型、凝固过程的数值模拟为核心，可以完成多种合金材质、多种铸造方式 下铸件的流动分析、温度场分析以及流动和传热的耦合计算分析，从而达到对铸件 进行工艺分析和工艺优化的目的。温度场模拟技术是应力场模拟的基础，它的成熟 为应力模拟奠定了基础。国外一些商品化凝固模拟软件包已具有应力分析功能，但 国内这方面还有差距，具备应力分析功能的软件包不多，而且准确性仍有待提高。 此外，前处理是凝固模拟软件的关键环节，充型过程流动场计算速度问题也十 分突出，对二者的研究都具有较高的工程实用价值。 本课题从国内外研究现状出发，采用高起点、集成化的路线，进行了应力场集 成模拟系统的研究。在实现应力场模拟的同时，探索了一种新的前处理方法，并在 流场并行计算方面进行了有益的尝试，其根本目的在于优化工艺，降低废品率，快 速反应市场，为增强铸造企业的竞争力提供有力的工具。因此，本研究具有重要的 理论意义及较高的实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 前处理模块研究概况 前处理模块是铸造c a e 系统的重要组成部分，它的作用是将要分析的铸件系统 的三维模型输入计算机并对其进行离散，其性能的好坏直接影响到整个系统的实用 性及计算的准确性。 前处理模块主要包括两部分内容：三维造型与网格剖分。本论文主要讨论采用 有限差分方法( f d m ) 进行的数值模拟的前处理。按照所采用的造型方法和网格剖 分方法以及发展阶段的不同，前处理模块主要可以分为以下几类： ( 1 ) 三维造型采用自己开发的软件系统。并在此基础上进行网格剖分。文献r 3 5 】中都采用了这种方法，所不同的是他们的三维造型采用不同的数据结构。其中【3 】 华中科技大学博士学位论文 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的依据。铸件充型凝固过程的流动场、温度场计算机模拟仿 真经历了数十年的发展，已进入工程实用化阶段，而应力场模拟起步较晚，现在发 展还不成熟，因此成为铸造过程宏观模拟的研究热点口l 。 华中科技大学凝固模拟科研组从1 9 8 5 年便开始了铸造凝固过程数值模拟的研 究，至今已经有十多年的历史，现开发有自主版权的商品化软件华铸c a e 系统。它 以铸件充型、凝固过程的数值模拟为核心，可以完成多种合金材质、多种铸造方式 下铸件的流动分析、温度场分析以及流动和传热的耦合计算分析，从而达到对铸件 进行工艺分析和工艺优化的目的。温度场模拟技术是应力场模拟的基础，它的成熟 为应力模拟奠定了基础。国外一些商品化凝固模拟软件包已具有应力分析功能，但 国内这方面还有差距，具备应力分析功能的软件包不多，而且准确性仍有待提高。 此外，前处理是凝固模拟软件的关键环节，充型过程流动场计算速度问题也十 分突出，对二者的研究都具有较高的工程实用价值。 本课题从国内外研究现状出发，采用高起点、集成化的路线，进行了应力场集 成模拟系统的研究。在实现应力场模拟的同时，探索了一种新的前处理方法，并在 流场并行计算方面进行了有益的尝试，其根本目的在于优化工艺，降低废品率，快 速反应市场，为增强铸造企业的竞争力提供有力的工具。因此，本研究具有重要的 理论意义及较高的实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 前处理模块研究概况 前处理模块是铸造c a e 系统的重要组成部分，它的作用是将要分析的铸件系统 的三维模型输入计算机并对其进行离散，其性能的好坏直接影响到整个系统的实用 性及计算的准确性。 前处理模块主要包括两部分内容：三维造型与网格剖分。本论文主要讨论采用 有限差分方法( f d m ) 进行的数值模拟的前处理。按照所采用的造型方法和网格剖 分方法以及发展阶段的不同，前处理模块主要可以分为以下几类： ( 1 ) 三维造型采用自己开发的软件系统。并在此基础上进行网格剖分。文献r 3 5 】中都采用了这种方法，所不同的是他们的三维造型采用不同的数据结构。其中【3 】 华中科技大学博士学位论文 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的依据。铸件充型凝固过程的流动场、温度场计算机模拟仿 真经历了数十年的发展，已进入工程实用化阶段，而应力场模拟起步较晚，现在发 展还不成熟，因此成为铸造过程宏观模拟的研究热点口l 。 华中科技大学凝固模拟科研组从1 9 8 5 年便开始了铸造凝固过程数值模拟的研 究，至今已经有十多年的历史，现开发有自主版权的商品化软件华铸c a e 系统。它 以铸件充型、凝固过程的数值模拟为核心，可以完成多种合金材质、多种铸造方式 下铸件的流动分析、温度场分析以及流动和传热的耦合计算分析，从而达到对铸件 进行工艺分析和工艺优化的目的。温度场模拟技术是应力场模拟的基础，它的成熟 为应力模拟奠定了基础。国外一些商品化凝固模拟软件包已具有应力分析功能，但 国内这方面还有差距，具备应力分析功能的软件包不多，而且准确性仍有待提高。 此外，前处理是凝固模拟软件的关键环节，充型过程流动场计算速度问题也十 分突出，对二者的研究都具有较高的工程实用价值。 本课题从国内外研究现状出发，采用高起点、集成化的路线，进行了应力场集 成模拟系统的研究。在实现应力场模拟的同时，探索了一种新的前处理方法，并在 流场并行计算方面进行了有益的尝试，其根本目的在于优化工艺，降低废品率，快 速反应市场，为增强铸造企业的竞争力提供有力的工具。因此，本研究具有重要的 理论意义及较高的实用价值。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 前处理模块研究概况 前处理模块是铸造c a e 系统的重要组成部分，它的作用是将要分析的铸件系统 的三维模型输入计算机并对其进行离散，其性能的好坏直接影响到整个系统的实用 性及计算的准确性。 前处理模块主要包括两部分内容：三维造型与网格剖分。本论文主要讨论采用 有限差分方法( f d m ) 进行的数值模拟的前处理。按照所采用的造型方法和网格剖 分方法以及发展阶段的不同，前处理模块主要可以分为以下几类： ( 1 ) 三维造型采用自己开发的软件系统。并在此基础上进行网格剖分。文献r 3 5 】中都采用了这种方法，所不同的是他们的三维造型采用不同的数据结构。其中【3 】 华中科技大学博士学位论文 是先将空间离散，再对每个网格单元进行数据记录。 4 】采用结构的立体几何表示模 式即c s g ( c o n s t n l c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 来描述实体的拓扑结构。【5 】中采用的是多 面体边界表示模式( p o l y h e d r a lb r e p ) 。这种前处理方法的优点是成本低，用户不需 购买额外的三维造型软件，网格剖分准确可靠，缺点是造型过程中用户操作繁琐， 界面不友好，造型功能也比商品化的三维软件要弱，因此很难构造复杂的铸件。目 前采用此种方法的c a e 系统已越来越少。 ( 2 ) 利用商品化的三维软件造型，自己二次开发接口进行网格剖分。a u t o c a d 是国内外应用比较广泛的微机环境下的c a d 软件，除了强大的二维绘图功能外，其 a m e ( a u t o c a dm 0 d e l j n ge x t e n s j o n ) 模块还提供了三维造型功能。同时，它又具 有开放的体系结构。其a d s ( a u t o c a dd e v e l o p m e n ts y s t e m ) 接口提供二次开发功 能。一些研究人员采用a m e 进行三维造型，然后利用a u t o c a da d s 开发网格剖分 接口睁”。此方法的优点是a u t o c a d 软件价格低，易于被用户接受，而且应用广泛， 用户基础较好，容易掌握。缺点是对于形状复杂的铸件，a m e 建模往往显得无能为 力，并且基于a d s 技术的剖分软件运行速度慢，复杂铸件的网格剖分一般需要几个 小时甚至更长的时间l ”，严重制约了c a e 系统的推广应用。 ( 3 ) 用中、高档的三维造型系统建模，开发文件级的接口模块实现网格剖分。 随着计算机技术的飞速发展，基于工作站及微机的中、高档三维造型系统，如 s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 、i d e a s 、c a d d s 5 、e u c l i d 等大量涌现，与a u t o c a da m e 相比，这些三维造型系统的建模功能要强大得多，而且界面友好，使用方便，因而 拥有急剧扩大的用户群i ”。文献【8 】介绍了一种基于这些造型系统都可以输出的s t l ( s t e r e o l i t h o g r 印h y ) 文件的网格剖分方法，实现了与众多商品化三维造型系统的文 件级接口，其剖分精度高、速度快、操作简单、容错性好，对铸造c a e 的大规模推 广起到了巨大的推动作用。其重要意义还体现在对于一些已应用铸造c a d ，c a m 技 术的企业( 如压铸、低压铸造及普通铸造模具、模板制造商) ，其c a d 部分多采用 上述三维造型系统进行铸件及模具的三维建模，现在铸造c a e 系统也实现了与这些 系统的接口，可以直接读取三维几何数据进行模拟分析：因此将会真正实现 c a d c a e ，c a m 的一体化，大大推进铸造模具行业的技术进步。清华大学的f t s t a r 和瑞典的n o v a c 船t 也采用这种前处理方法。它比较明显的缺点是投资较大，上述中、 高档三维造型系统的价格都在数万元到数十万元到人民币之间，中、小型用户难以 承受。 ( 4 ) 利用国产三维造型软件建模，开发嵌入式剖分命令接口。上面提到的几种 华中科技大学博士学位论文 中、高档三维造型系统都是“洋”软件，国产三维造型系统的水平相对较低，不少 科研院所和高等院校都正在致力于三维产品的研究开发。华中科技大学天喻公司的 i n t e s o l i d 是一套比较好的国产三维系统，本论文基于这套系统开发了嵌入式f d m 网 格剖分命令接口，使铸造c a e 系统前处理的两大部分浑然融为一体，在完成铸造系 统的三维建模后就可以直接在造型环境中用剖分命令进行网格划分了。与上述第一、 二类方法相比，这种前处理方式的三维实体造型功能要强大得多，而且操作方便、 直观。界面友好，与第三类方法比，投资相对小一些，而且可以避免生成s t l 文件 过程中产生的误差。 1 2 2 温度场数值模拟技术的发展现状 铸件凝固和冷却过程中的温度差异。铸型或型芯对铸件收缩的阻力，以及在较 低温度区间出现的相变，造成了铸件形成过程中的应力。由此看来，温度场是应力 场模拟的基础，因此有必要先介绍一下温度场数值模拟的发展现状。 用计算机对铸件凝固过程进行全面的研究。这种思想最早萌芽于2 0 世纪4 0 年 代，美国哥伦比亚大学的p 嬲c l l i 【i s 在美国铸造学会传热委员会的资助下，利用大型 模拟机对凝固过程进行了全面的研究，其成果对当时铸造技术的发展起了重要的促 进作用1 9 l 。但由于计算机硬件的限制，使p a h k i s 的工作没有得到广泛的应用。数 字计算机的问世，促进了铸件凝固过程数值模拟技术的发展。1 9 6 2 年是一个划时代 的里程碑，丹麦学者f o r s 岫d 把d u s i n b e r r c 等人在工程应用中提出的有限差分法第 一次用于铸造凝固过程度传热计算1 1 0 】，开辟了用计算机对凝固过程进行数值模拟的 新方向。三年后即1 9 6 5 年美国通用电气公司的h e n 龄i 和k e v e r i 孤应用瞬态传热通 用程序对重达9 吨的大型铸钢件汽轮机内缸进行了数值模拟，计算温度场和实测温 度场吻合良好l 。这些最初尝试的成功引起了铸造界的重视，此后世界上许多工业 发达国家都相继开展了铸件形成过程数值模拟技术的研究，8 0 年代掀起了高潮，这 方面的研究成果可以归纳为以下几个方面：数值计算方法的研究，凝固潜热处理， 铸件，铸型边界条件处理，缩孔缩松判据以及热物性参数的测定。 1 2 2 1 数值计算方法的研究 温度场数值模拟中常用的方法包括有限差分法f d m ( f i n i t ed i 疗e r e n c em e t h o d ) 、 有限元法f e m ( f i n i t ee l 锄e n tm e t l l o d ) 、直接差分法d f d m ( d i r c c tf i n i t cd i 虢r c n c e 华中科技大学博士学位论文 中、高档三维造型系统都是“洋”软件，国产三维造型系统的水平相对较低，不少 科研院所和高等院校都正在致力于三维产品的研究开发。华中科技大学天喻公司的 i n t e s o l i d 是一套比较好的国产三维系统，本论文基于这套系统开发了嵌入式f d m 网 格剖分命令接口，使铸造c a e 系统前处理的两大部分浑然融为一体，在完成铸造系 统的三维建模后就可以直接在造型环境中用剖分命令进行网格划分了。与上述第一、 二类方法相比，这种前处理方式的三维实体造型功能要强大得多，而且操作方便、 直观。界面友好，与第三类方法比，投资相对小一些，而且可以避免生成s t l 文件 过程中产生的误差。 1 2 2 温度场数值模拟技术的发展现状 铸件凝固和冷却过程中的温度差异。铸型或型芯对铸件收缩的阻力，以及在较 低温度区间出现的相变，造成了铸件形成过程中的应力。由此看来，温度场是应力 场模拟的基础，因此有必要先介绍一下温度场数值模拟的发展现状。 用计算机对铸件凝固过程进行全面的研究。这种思想最早萌芽于2 0 世纪4 0 年 代，美国哥伦比亚大学的p 嬲c l l i 【i s 在美国铸造学会传热委员会的资助下，利用大型 模拟机对凝固过程进行了全面的研究，其成果对当时铸造技术的发展起了重要的促 进作用1 9 l 。但由于计算机硬件的限制，使p a h k i s 的工作没有得到广泛的应用。数 字计算机的问世，促进了铸件凝固过程数值模拟技术的发展。1 9 6 2 年是一个划时代 的里程碑，丹麦学者f o r s 岫d 把d u s i n b e r r c 等人在工程应用中提出的有限差分法第 一次用于铸造凝固过程度传热计算1 1 0 】，开辟了用计算机对凝固过程进行数值模拟的 新方向。三年后即1 9 6 5 年美国通用电气公司的h e n 龄i 和k e v e r i 孤应用瞬态传热通 用程序对重达9 吨的大型铸钢件汽轮机内缸进行了数值模拟，计算温度场和实测温 度场吻合良好l 。这些最初尝试的成功引起了铸造界的重视，此后世界上许多工业 发达国家都相继开展了铸件形成过程数值模拟技术的研究，8 0 年代掀起了高潮，这 方面的研究成果可以归纳为以下几个方面：数值计算方法的研究，凝固潜热处理， 铸件，铸型边界条件处理，缩孔缩松判据以及热物性参数的测定。 1 2 2 1 数值计算方法的研究 温度场数值模拟中常用的方法包括有限差分法f d m ( f i n i t ed i 疗e r e n c em e t h o d ) 、 有限元法f e m ( f i n i t ee l 锄e n tm e t l l o d ) 、直接差分法d f d m ( d i r c c tf i n i t cd i 虢r c n c e 华中科技大学博士学位论文 m e t h o d ) 和边界元法b e m ( b o u f l d a r y e 1 e m e n tm e t h o d ) 。 密执安大学的p e h l k e 教授为首的研究小组从1 9 6 8 年开始相继以显式有限差分、 交替隐式和s a u l y e v 有限差分格式建立了数值计算模型，对t 形、l 形铸钢件进行 计算，给出了温度场、等温线和等时线分布图【1 2 1 ”。因此，有限差分法成了最早使 用的方法，也是在诸多商品化软件中应用最广的。它又包括显式有限差分法4 i ”、 隐式有限差分法m 舢】、交替隐式有限差分法【”舢1 和s a u l y e v 有限差分法 ”】、控制体积 法1 2 0 】1 等。国外不少学者都用有限差分法进行过研究：p e h l k e 、h a n s e n 、c l y i l e 、 t h 锄b 划“1 ，大连理工大学、沈阳铸造研究所、清华大学，哈尔滨工业大学、华中 科技大学等单位的铸造工作者也在这方面开展了研究口5 2 ”。 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。现 在已广泛应用于求解连续体力学、热传导、电磁场、流体力学等领域。有限差分法 的缺点是网格形状固定，在曲面离散时会有阶梯现象，有限单元法则克服了这一缺 点，单元划分更灵活，对曲面可以实现很好的拟合，但其离散算法复杂，对硬件要 求高，限制了应用的广度。 直接差分法是日本的大中逸雄等于7 0 年代提出的1 2 9 l ，它从有限差分推导而来， 严格讲仍属于有限差分法，但其单元更灵活，物理意义更加明确。 边界元法只需将求解域的边界划分成单元，使求解维数降低，输入数据减少， 计算时间缩短，但其应用尚不普遍。 1 2 2 2 凝固潜热处理 潜热释放是铸件成形过程的显著特征，因其对温度场计算的影响较大，必须加 以考虑。常见的处理方法有以下三种：温度回升法、等价比热法以及热焓法。 ( 1 ) 温度回升法 凝固开始的一段时间内，固相不断增多，但温度基本保持在熔点附近，这是由 于释放的潜热补偿了传导带走的热量，亦即补偿了传热所引起的温度的降低。由于 热量的多少常以单元体温度的变化来表示，因此可将这部分热量折算成所能补偿的 温度降落加入温度计算中去，这就是温度回升法或温度补偿法。 体积为矿的液态金属凝固时所释放的潜热为q = 础矿，如果这部分热量用 于提高自身的温度，则应升高温度r = 乡缸矿= 纠c 。潜热释放也可用固相率的 增加即来监测计算过程，当a 三1 时说明凝固结束。 华中科技大学博士学位论文 该方法适用于处理熔点温度恒定的材料，如纯金属或者共晶成分合金潜热释放 过程。， ， ( 2 ) 等价比热法 比热是指单位质量物体降低单位温度所释放的热量，单位质量金属在凝固温度 范围内降低单位温度时释放的热量也可以理解成比热。实际上这个比热包括两部分 即物体的真正比热和凝固潜热释放引起得比热的增加，从而称此比热为等价比热或 者有效比热( 亦称当量比热) ，记为e ，其值为e = c + 厶；在实际计算中，假设 潜热均匀释放，此时厶。纥一瓦。 般地，该方法适于处理结晶温度范围较宽的合金，能满足绝大多数铸造合金 的需求，因而目前应用较为广泛3 2 j 。 ( 3 ) 热焓法 对于处于凝固过程的金属，其热焓可定义为： ， h = 【c d r + ( 1 一兀) 热焓法是基于热焓的计算公式来处理凝固潜热的，它与等价比热法类似，适用 于处理具有一定结晶温度范围的合金叫。 1 2 2 3 缩子l 缩松预测判据 铸件温度场数值模拟的目的就是预测铸件是否健全，会不会产生缺陷以及可能 产生的缺陷的类型、位置。其中缩孔缩松是最常见到缺陷，因此缩孔缩松判据的研 究成为关注的热点，也取得了一系列的成果。 因为铸钢件收缩大，对它的缩孔缩松判据的研究最为深入，已有十余种方法： 包括等温度、等固相率曲线法、流导法、固相率梯度法、补缩距离法、吵詹法、 吖“ 嘭冗杀法、g ，7 钐法等p 协1 ，其中日本的新山英辅提出的乡石法( g 表示温度 梯度，r 表示凝固后期的冷却速度) 获得了广泛的应用【拍】。 1 2 2 4 铸件铸型界面换热问题 铸件铸型界面换热问题直接影响到计算结果的准确性，但因为界面换热系数的 影响因素太多，加大了定量的难度。国内外许多学者都对各种界面情况、参数通用 化问题等做了大量深入的研究，他们的工作使得温度场模拟结果能与实际情况较好 华中科技大学博士学位论文 地吻合3 1 3 7 “】。 l - 2 2 5 热物性参数的测定 准确可靠的铸件材质的热物性参数对凝固模拟是至关重要的，铸件成形过程模 拟的精度与可用性在很大程度上依赖于输入的热物性参数。因此，精确的热物性参 数是数值模拟软件实用化的基础，它能使软件充分发挥潜能，为模拟结果的可靠性 提供保证。基于这种认识，国内外的学者们对铸造合金和造型材料的热物性参数做 了大量测定工作，同时一直没有间断过对热物性参数的测定方法及其适用范围、精 度等的研究工作m “】。 综上所述，经过数十年的发展，温度场数值模拟技术已经成熟，能够比较好地 指导生产实践。目前研究热点已经转移到充型流动模拟、应力场模拟以及微观模拟 等领域。 1 2 3 应力场数值模拟技术的发展现状 以温度场的数值模拟为基础，自八十年代以来，各国学者又开展了铸件成形过 程应力场数值模拟的研究，因为铸造应力的模拟涉及的问题较复杂，因此针对实际 铸件开展的凝固过程热应力场数值模拟研究一直进展缓慢，从国内外已发表的论文 来看，针对钢锭、钢锭模和连铸坯的模拟居多，原因是其数学模型容易确定，边界 条件、约束条件设定简单，而且最初的研究做了大量的简化陋“】。 到了九十年代，由于计算机技术和数值模拟技术的飞速发展，对于复杂形状铸 件的铸造应力变化、残余应力分布以及热裂的数值模拟的研究取得了很大进展，并 且在实际生产中得以应用。 日本的大中逸雄模拟了连续铸钢件的凝固应力：德国的f u i l l ( g 等采用f d m 伊e m 模型模拟了连铸过程的温度场、应力场，f e m 采用的是有限元软件a d i n a l ”l ；e 0 n a l c 等采用热一结构耦合的有限元模型对曲轴铸铁件进行了应力分析m i ；b h a n n a n 使用 具有弹塑性应力分析功能的通用有限元软件m a r c 进行了简单形状铸件的温度场、 应力场数值模拟唧】：德国的p r s a l l m 利用有限元软件c a s t s 对机床工作台在不同 配筋形式下的残余应力分布进行了模拟；c f l o o d 等以铝合金铸锭为研究对象，采 用通用的有限元软件a n s y s 的纯弹性模型进行了应力模拟m l ；我国大连理工大学 的金俊泽、郑贤淑最早开展了铸造应力场数值模拟研究，他们先后对大型轧辊、大 型钢锭模、汽轮机缸体等铸件进行了模拟分析和优化设计l 珏”】，并对裂纹预测和热 华中科技大学博士学位论文 地吻合3 1 3 7 “】。 l - 2 2 5 热物性参数的测定 准确可靠的铸件材质的热物性参数对凝固模拟是至关重要的，铸件成形过程模 拟的精度与可用性在很大程度上依赖于输入的热物性参数。因此，精确的热物性参 数是数值模拟软件实用化的基础，它能使软件充分发挥潜能，为模拟结果的可靠性 提供保证。基于这种认识，国内外的学者们对铸造合金和造型材料的热物性参数做 了大量测定工作，同时一直没有间断过对热物性参数的测定方法及其适用范围、精 度等的研究工作m “】。 综上所述，经过数十年的发展，温度场数值模拟技术已经成熟，能够比较好地 指导生产实践。目前研究热点已经转移到充型流动模拟、应力场模拟以及微观模拟 等领域。 1 2 3 应力场数值模拟技术的发展现状 以温度场的数值模拟为基础，自八十年代以来，各国学者又开展了铸件成形过 程应力场数值模拟的研究，因为铸造应力的模拟涉及的问题较复杂，因此针对实际 铸件开展的凝固过程热应力场数值模拟研究一直进展缓慢，从国内外已发表的论文 来看，针对钢锭、钢锭模和连铸坯的模拟居多，原因是其数学模型容易确定，边界 条件、约束条件设定简单，而且最初的研究做了大量的简化陋“】。 到了九十年代，由于计算机技术和数值模拟技术的飞速发展，对于复杂形状铸 件的铸造应力变化、残余应力分布以及热裂的数值模拟的研究取得了很大进展，并 且在实际生产中得以应用。 日本的大中逸雄模拟了连续铸钢件的凝固应力：德国的f u i l l ( g 等采用f d m 伊e m 模型模拟了连铸过程的温度场、应力场，f e m 采用的是有限元软件a d i n a l ”l ；e 0 n a l c 等采用热一结构耦合的有限元模型对曲轴铸铁件进行了应力分析m i ；b h a n n a n 使用 具有弹塑性应力分析功能的通用有限元软件m a r c 进行了简单形状铸件的温度场、 应力场数值模拟唧】：德国的p r s a l l m 利用有限元软件c a s t s 对机床工作台在不同 配筋形式下的残余应力分布进行了模拟；c f l o o d 等以铝合金铸锭为研究对象，采 用通用的有限元软件a n s y s 的纯