毕业设计（论文）进气风罩设计

1、摘要目前，我国传统的飞机进气风罩大多是用铝合金钣金件分块组合焊接而成，工序繁琐，生产周期长，而且其焊接质量难以保证，在飞机飞行过程中其焊接部位经常被吹裂。为了提高飞机进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，本文采用高强度铝合金zl101a和石膏型熔模精密铸造的工艺来成型进气风罩，并采用procast铸造模拟软件对飞机进气风罩的充型凝固过程进行了数值模拟。铸造过程的计算机模拟是近几十年迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法，这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能较快的发现决定铸件质量的内部因素，对可能出现的各种铸造缺陷提出预报，从而在工艺实施前优化所采用的

2、铸造工艺参数，这对于指导铸造工艺设计、提高铸件质量具有重要意义。所以，为了实现飞机进气风罩的铸造生产方式，本论文对其铸造过程中的充型凝固过程进行了数值模拟。首先，本文对新型飞机进气风罩的石膏型熔模精密铸造工艺进行了简单的分析。在此基础之上，建立基于pro/e的进气风罩三维几何造型。最后利用procast铸造模拟软件对进气风罩的整个充型凝固过程进行数值模拟，以精确显示其充型凝固过程中的充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力和变形。在此次模拟所设置的工艺参数下，铸件填充率可达到98%，这主要是由于铸件在凝固时收缩使浇口处产生塌陷，所以在实际浇注过程中要注意及时补缩。其他缺陷的数量以及分布也基

3、本符合铸件最终的使用要求，因此，这种新型飞机进气风罩的成形工艺可以应用于工业生产。通过对模拟的缺陷的分析，还可以对进气风罩的铸造工艺过程进行优化，从而在实际生产前就采取有效的工艺措施减少或避免缺陷的产生。这种方法对企业的实际生产具有一定的意义。关键词：进气风罩；石膏型熔模精密铸造；凝固温度场；充型流场；数值模拟abstractat present, most of the traditional air intake hoods are welded by the aluminum alloy sheet. its working procedure is complicated and th

4、e production cycle is long. moreover, the quality of welding is difficult to guarantee. so, during the flight, the welding parts are often blown crack. in order to improve the life of the air intake hood, to lower the production difficulty and to solve the quality risks in the production due to the

5、method of weld, in this article, the high-strength aluminum alloy zl101a and plaster mould investment casting were used to mold the intake hood, and the filling and solidification process of the air intake hood was simulated by the casting simulation software procast.computer simulation of casting p

6、rocess is the modern casting study method which developed rapidly in recent decades. the internal factors which determine the quality of the casting can be found quickly by pouring and analyzing the working process by computer. to different kinds of possibly casting defects, the prediction is brough

7、t up. thereby, the process parameters of the casting are optimized before the implementation of the process. it is of great significance to conduct the process design and improve the quality of the casting. therefore, in order to achieve the air intake hood casting production, simulation of the fill

8、ing and solidification process in the casting was carried on in this article.key words：air intake hood; plaster mould investment casting; solidification temperature field; filling flow field; numerical simulationfirst of all, the plaster mould investment casting process of the new air intake hood wa

9、s simple analyzed in this article. on this basis, the three-dimensional geometric modeling of the air intake hood was established by the software pro/e. at last, the whole process of filling and solidification of the air intake hood was simulated by the casting simulation software procast. the lack

10、of filling, wrapped cold insulation, the location of the gas and the hot spot and the residual stress and deformation were accurately displayed in this process. under the process parameters of this simulation, the filling rate of the casting was 98%, the number and the distribution of other defects

11、could basically meet the final using requirements of the casting. so, the modeling working process of the new air intake hood can be considered into the application of the industrial production. also, the casting process of the air intake hood can be optimized by the analysis of the defects. thereby

12、, the effective measures can be taken before the actual production to reduce or avoid the defects. it is of certain significance to the actual production of the enterprises. 目录摘要iabstractii第1章 绪论31.1课题研究背景31.2新型进气风罩的研究现状41.3铸造充型凝固过程数值模拟的研究现状51.3.1铸造充型过程数值模拟的发展61.3.2铸造凝固过程数值模拟的发展81.4本文研究的主要内容及意义9第2章

13、新型进气风罩铸造工艺设计112.1石膏型熔模精密铸造的特点112.2模具制造过程122.3生产工艺控制过程122.4小结14第3章 基于pro/e的新型飞机进气风罩几何造型和数学建模153.1pro/e软件介绍153.2进气风罩的pro/e曲面造型设计163.3曲面造型技巧193.4小结20第4章 基于procast的进气风罩充型凝固过程的数值模拟及仿真214.1 procast软件介绍214.1.1软件模块224.1.2模拟过程224.1.3应用范围234.2充型凝固过程数值模拟数学模型234.3充型及凝固过程数值模拟流程244.4网格的划分244.4.1面网格的划分244.4.2体网格的划

14、分274.5充型凝固过程模拟的前处理294.5.1充型凝固过程工艺参数294.5.2充型凝固过程数值模拟前处理操作304.6求解计算324.7观测模拟结果33结论35参 考 文 献36致谢39外文科技资料翻译40英文原文40中文译文50第1章 绪论1.1课题研究背景进气风罩是铆接在飞机蒙皮外部的部件，在飞机飞行过程中，通过流经其进气风道的高速气流来冷却发动机外壳。由于该部件在工作时需经受高速气流冲击，其外形必须符合飞机的气动性能要求，因此，它既是一个结构件，又是一个受力件，对综合机械性能和外形结构要求较高，其制造质量对飞机的气动性能有一定的影响。进气风罩壁厚一般为1.12.0mm，形状较复杂。

15、传统的进气风罩用铝合金钣金件分块组合焊接而成，工序繁琐，生产周期长，成本较高，焊接技术难度大，焊接质量难以保证，在飞行过程中焊接部位经常被吹裂，产品使用寿命短；而且由于该部件铆接在飞机的一个较特殊部位，拆卸和更换十分不便。为了提高进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，决定试用高强度铝合金zl101a材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。相比于焊接工艺，铸造生产技术具有生产效率高、产品质量好、环境污染少的特点。在当今，工业发达的国家铸造生产已实现机械化、自动化、智能化(计算机控制、机器人操作)，而我国作为一个具有悠久历史的铸造大国，其近代铸造生产技

16、术却长期处于落后状态，特别是形状复杂的大型铸件的流动规律和最终凝固位置都是较难把握的问题之一。随着现代化技术的发展，尤其是计算机技术的日趋成熟，铸造cae技术(铸件充型和凝固过程计算机仿真模拟分析)渐渐普及深入，传统的铸造业正在从凭借经验生产转为在理论指导下的科学生产，从而解决和改善了这一问题。1.2新型进气风罩的研究现状由于传统的飞机进气风罩由铝合金钣金件分块组合焊接而成，焊接质量难以保证，在飞行的过程中焊接部位容易被吹烈，产品使用寿命短。为了解决传统进气风罩生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，近几年对飞机进气风罩新型生产方式的研究也越来越多。四川大学制造学院的张永红、郑忠俊，成都飞机设计

17、研究所的李显东，成飞集团三航公司的王和凯、曹雨波，成都兴光机械厂的刘月其在新型飞机进气风罩的整体制造方面提出了新的工艺方法，即用高强度铝合金zl101a材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。他们还利用美国ptc公司开发的pro/engineer(简称pro/e)三维cad建模软件，根据进气风罩的二维设计图纸资料将其建构成三维零件模型，再利用pro/e软件的model analysis功能对两个进气风道工作横截面面积进行计算分析，验证风道气流量是否满足设计要求。进气风罩三维零件造型经修改、完善，符合设计要求后，利用pro/e进行分模，确定总收缩率，然后创建型腔，最后用mold comp

18、 extract功能生成实体。为了得到尺寸精确度高、表面光洁度好的进气风罩铸件，要严格控制以下几方面的生产工艺过程：蜡模模料、造型材料、浇注系统的设计、灌浆、焙烧工艺、熔炼与浇注、热处理工艺。最后，经过查表和计算，确定铸造工艺方案，包括分型面的选定、浇注位置的确定、补缩区域的划分和冒口的排放、浇注系统的设置、砂芯的设置等。还可以利用工程图形软件系统中所具备的功能进行铸件的结构分解、截面图的观察，考察铸件的起模情况和是否钩砂，必要时可对所分解的结构体进行重量计算，以作为工艺方案设计的依据。1.3铸造充型凝固过程数值模拟的研究现状铸造过程计算机模拟是近几十年迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法。铸造

19、过程计算机建模与仿真(铸造cae)是信息科学、材料科学、工程力学及计算机图形学等各种学科的交叉，是国际公认的先进制造科学的重要前沿领域，是当今世界各国专家学者关注的热点。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析, 能较快的发现决定铸件质量的内部因素,对可能出现的各种铸造缺陷提出预报，对不同的工艺方案进行比较，在实际生产前采取有效的工艺措施避免缺陷的产生，同时，还可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，这对于指导铸造工艺设计、提高铸件质量具有重要意义。目前我国国内铸造数值模拟技术已有了很大进展。我国于20世纪70年代末开始，大连理工大学、沈阳铸造研究所在这一方面就做了开拓性的工作。197

20、8年，在葛洲坝电站125mw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的研究。与此同时，大连工学院的金俊泽等人对大型船用钢螺旋桨的凝固过程温度场进行了模拟分析，并分别于1980年发表了研究报告，此后在我国高等院校如哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、西安交通大学、清华大学、华中工学院都先后等单位投入大量人力开展了温度场模拟的研究。从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，他们采用热弹塑性力学模型对大型铸件(大型双幅板齿轮、铸钢轧辊、钢锭模) 的铸造及热处理应力进行了模拟。此后，西安交通大学、清

21、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。可以看出，国内铸造过程数值模拟技术起步虽然较晚，但进步非常快，取得了一系列令人鼓舞的研究成果。中国各级政府对铸造数值模拟研究也给予了充分的重视和大力的资助。“六五”、“七五”期间，铸造凝固进程的数值模拟研究都被列为国家的重点科技攻关计划(“六五”的项目为“大型铸钢件凝固控制”、“七五”项目为“大型铸钢件铸造工艺cad，国内多家大专院校、科研院所和生产企业密切合作，组织产、学、研联合攻关，推动了铸造数值模拟技术研究的不断深入。应当指出的是，一些研究成果虽然投入了初步的使用，但因计算机软、硬件以及其它相关学科发展水平的限制，这一

22、期间，国内还没有真正出现实用化、商品化的模拟软件系统。而实际上，世界范围内第一个铸造模拟商品化软件也只是在20世纪80年代末期(1989年)才问世。但是，50年代国内铸造过程数值模拟研究，在全国范围内掀起了一个高潮，是当时铸造领域计算机研究的热点。目前清华大学、华中理工大学己分别能提供fr-star和华铸cae-intecast商品化软件，获得了良好的效果。1.3.1铸造充型过程数值模拟的发展铸件充型过程的数值模拟是建立在计算流体力学领域的研究结果的基础上的工程应用。在计算流体力学领域，能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动的数值方法产生于20世纪60年代。1983年，wshwang和

23、ra stoehr首先成功地运用mac技术，模拟了两个简单形状铸件的二维充型流动过程，清楚地显示了充型过程中金属液流动的自由表面和各处的速度分布。该研究展示了数值模拟在铸件成型过程中的巨大作用，从此，铸件充型过程的数值模拟技术研究得以广泛的开展。1984年，pvdesai研究了强制对流对内浇道温度的影响，采用涡函数的方法计算了弱对流对温度场的影响。这是铸件充型过程数值模拟中首次将金属液的流动与传热耦合起来。铸件充型过程的数值模拟技术始于20世纪80年代初，以计算流体力学的理论方法为基础。从二维的简单形状开始，到目前已经能够实现三维复杂形状铸件的充型过程的流动与传热的耦合模拟，并且在数值方法上做

24、出了很多的改进，使计算速度得到明显的提高，已在实际工程中得到较多的应用。随着计算机技术的发展，计算流体力学的广泛应用以及流体运动模拟技术的提高，国内外的许多研究人员对充型过程数值模拟技术非常重视。从20世纪80年代开始，在此领域进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了很大的进展。充型过程的数值模拟始于20世纪80年代初，中国台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与ra stoehr教授首先开展了这方面的研究。1983年stoehr教授及其学生黄文新率先模拟了充型流动过程。1985年stoehr教授采用smac的方法模拟了滑轮的充型过程，其模拟结果与丹麦i

25、ngeslive采用高速摄影的结果进行比较，结果表明模拟与实验吻合良好。1987年之前是充型过程数值模拟的初始发展阶段，模拟基本上限于二维板类铸件，并假设充型过程液态金属处于层流流动。这些模拟技术尚不能指导大多数实际铸件的工艺设计，但奠定了充型过程计算机模拟的基础。1988年以后，充型过程的计算机模拟进入到蓬勃发展阶段，模拟技术不断完善。美国的shea chen等改进了二维的smac算法，使其在流体流动计算结果的对称性及流股交汇面的处理上有较大发展。在美国圣地亚哥召开的第八届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，日本大阪大学的jd zhu等对充型过程直接差分法计算所用几何信息的处理方法和压力迭代方法

26、进行了改进，大大节省了直接差分法的运算时间。在第六届环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际会议上，柳百成院士描述了带有电磁制动的连铸模中流体流动的数学模型，该模型用有限差分法和simpler算法求解。国内在充型过程数值模拟方面起步相对较晚，但进展很快。1987年，沈阳铸造研究所的王君卿在丹麦技术大学模拟了灰铸铁三通管的充型过程，并同时计算了充型过程的温度场(流动与传热的耦合)。清华大学柳百成、裴清祥等人在20世纪80年代后期，在流动场数值模拟方面开展了卓有成效的工作。孙逊、王君卿对充填与传热过程数值模拟在球墨铸铁铸造工艺设计中的应用进行了研究。清华大学的荆涛、柳百成用sola-vof法对充型过程进

27、行了模拟，并研究了充型过程对浇注完成后铸型内初始温度场的影响。华中理工大学的袁浩扬等以so-la-vof法为基础，结合他们提出的三维自由表面边界速度确定方法，实现了铸造充型流动过程的三维数值模拟。西安交通大学的麻向军等通过对确定自由表面流率的van leer格式进行修正，解决了气液界面的界面模糊问题，应用守恒标量法进行了充型过程的三维数值模拟。国内先后在数值方法的研究、自由表面的跟踪判定、充型过程的水模拟实验、实际铸件的充型模拟等方面展开了大量的研究，取得了较大的成果。与温度场数值模拟相比较，由于流场涉及自由表面、流动中的速度和压力以及紊流等更多方面的问题，尤其求解压力场是最消耗时间的，在实际

28、应用中，往往难以满足工艺分析人员的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就变成了一个非常重要的问题。在此领域，己经进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的时限、计算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充型过程数值模拟的发展已经进入工程实用化阶段。 1.3.2铸造凝固过程数值模拟的发展铸造凝固过程的模拟仿真可以帮助工程技术人员科学预测液体金属充型过程、凝固过程中的温度场和应力场，以及宏观缺陷和微观组织等，从而能够对铸造过程所涉及的设备参数、工艺方案等做出最优的决定，达到优化工艺设计、确保零部件质量，缩短产品试制周期、降低生产成本、提高铸造生产的经济效益和产品的竞争能力的目的。铸件凝固过

29、程数值模拟开始于20世纪60年代，丹麦人k.forsund最早采用有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算。而第一次成功的应用则属于三年后美国专家g j henzel和g j keverian对汽轮机内缸体铸件进行的数值计算，其温度场的计算结果与实测值相当接近。他们的成功使研究者意识到用计算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广阔的前景，由此开辟了铸件凝固过程数值模拟的先河。20世纪80年代是数值模拟研究最为活跃的时期，1988年5月在美国佛罗里达州召开的第4届铸造和焊接的计算机数值模拟的会议上，有10家单位参加了会议组织的模拟斧锤型铸件的凝固过程热场比赛。会议要求参赛者按照同一图纸各自进

30、行温度场计算，并按照一定格式绘出指定测点的冷却曲线，在会场上与实测曲线进行比较。参加比赛的有：德国的p.r.sahm教授，丹麦的p.d.hansen，日本的大中逸雄和新山英辅教授，美国通用机械公司，芬兰技术研究中心等。从参赛者的模拟结果看，基本与实测接近，误差在20以内。可以看出，凝固过程温度场模拟已达到较高水平，知名大学和公司都有相应的模拟软件，如德国的magmasoft，美国的procast，日本的solan，丹麦的geomesh等，模拟结果接近实测。有的几乎与实测完全吻合，如日本新山英辅的模拟结果吻合相当好，反映了温度场的计算己较为成熟。20世纪80年代代表性的研究工作还包括：1984年

31、p.r.sahm和p.n.hasen及其合作者在德国所做工作，1984年j.t.berry和j.a.m.boulet在美国所做工作，以及1987年日本的i.o hnaka日及其同事的研究工作。铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，在铸造过程的温度场数值模拟及缩孔缩松预测、充型过程模拟、应力分析、微观组织预测等方面的关键技术研究及实用化进程方面都取得了突破性进展，己经进入工程实用化阶段，铸造生产正从只凭经验走向科学理论指导阶段，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。主要体现了以下特点：(1) 宏观模拟成熟化：大量的商品化软件的出现及

32、其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等，到目前为止，典型的商品化软件有ansys、ls-dyn3d、procast、viewcast等；(2) 组织模拟成为研究热点：目前主要有以下方法模拟组织演变过程：(a) 采用相场方法或界面追踪方法模拟枝晶形态演变；(b)使用平均值法模拟加工过程中构件不同区域的晶粒度；(c) 使用ca法模拟晶体形核生长动力学过程；(d) 多尺度模拟主要在学术方面上开展研究，凝固模拟的尺度现已从枝晶层次扩展到宏观铸件。如今，国内外均有商品化软件或提供网络化技术服务。我国在这一领域得到了国家领域的资助，在国际铸造界已占有一席之地。

33、1.4本文研究的主要内容及意义本文结合工艺设计、数值模拟和实际试验的结果，将cad/cae技术应用于大型复杂铸件的制备过程以解决工程实际问题。主要研究内容为先利用pro/e软件建立进气风罩的数学模型，而后进行网格的划分和各种参数的设定，借助于procast软件进行数值模拟，从而得到铸件的填充过程、凝固过程的温度场、应力场、流场的情况，查看热节、缩孔、缩松、夹渣等缺陷的生成分布情况，最后判断工艺是否合理，是则投入生产，否则进行工艺优化。本文结合石膏型熔模，将工艺设计和凝固模拟更好的结合起来，在合理的工艺设计的基础上进行模型凝固，以减少工艺的修改次数。通过对新型进气风罩的凝固充型过程的数值模拟，可

34、帮助人们更清楚地了解进气风罩铸件凝固充型过程中金属液的运动状态及温度场的分布，利用高性能计算机对铸造全过程进行模拟仿真，在实际生产之前验证或优化所采用的铸造工艺参数，克服了铸造业长期存在的试制周期长、铸件成本高、质量难以控制等缺点，对铸造结果和缺陷基本可以做到“未铸先知”和“防患于未然”。本课题从新型飞机进气风罩铸件着手，以解决实际问题为目的，通过工艺设计的理论计算、数值模拟和实际的实验结果相结合，来完成产品的开发和质量改进，以达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本并提高产品质量的目的，对企业有极高的实用价值，可实现高效、稳定、少或无缺陷的进气风罩的铸造生产，基于该研究还可对其精密铸造工艺进行

35、优化设计。第2章 新型进气风罩铸造工艺设计进气风罩是铆接在飞机蒙皮外部的部件，在飞机飞行过程中，通过流经其进气风道的高速气流来冷却发动机外壳。由于该部件在工作时需经受高速气流冲击，因此，传统的用铝合金钣金分块组合焊接而成的进气风罩在飞行过程中经常吹裂，使用寿命变短。为了提高进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，本课题决定试用高强度铝合金zl101a材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。图2.1为新型进气风罩截面图。图2.1 新型进气风罩截面图2.1石膏型熔模精密铸造的特点石膏型熔模精密铸造生产工艺已用于航天、航空、电子、光学、兵器、仪器仪表、艺术

36、品等行业的生产中，可以生产出尺寸精度高、表面光洁度好、用其他方法难以成形的复杂、薄壁、异形、整体、无余量的产品，这种工艺方法将普通熔模铸造法和普通石膏法的优点结合在一起，其独到之处表现在：(1) 石膏浆料流动性和复制性良好，石膏导热率低，有利于金属液充填，铸件壁厚最小可达到0.5mm；(2) 铸件尺寸稳定，精度高，可达0.002mm；表面粗糙度一般可达ra 0.83.2m；(3) 铸件在真空下浇注，加压状态下结晶凝固，组织致密，综合机械性能良好；(4) 铸件成品率高，可达90%以上；(5) 石膏铸型残余强度低，溃散性良好，利于铸件清理。2.2模具制造过程利用美国ptc公司开发的pro/engi

37、neer(简称pro/e)三维cad建模软件，根据进气风罩的二维设计图纸资料将其建构成三维零件模型。再利用pro/e软件的modelanalysis功能对两个进气风道工作横截面面积进行计算分析，验证风道气流量是否满足设计要求。进气风罩三维零件造型经修改、完善，符合设计要求后，利用pro/e进行分模，确定总收缩率，然后创建型腔。型腔被分割成如下几部分：(1) 形成外形结构的主型模具型腔被分割成3部分；(2) 形成进气风道结构的芯模型腔被分割成两部分；(3) 3个减重腔的形状各由1个抽芯结构形成，其中的1个抽芯被分割成3块。最后用mold compextract功能生成实体。模具设计完成后，利用m

38、oldcreate功能模拟蜡料压型过程，产生一个蜡件，然后进行分析，以检测模具设计是否正确。将设计好的模型数据资料通过局域网送到加工中心进行数控切削加工和电火花加工。2.3生产工艺控制过程为了得到尺寸精确度高、表面光洁度好的进气风罩铸件，需要严格控制下述几方面的生产工艺过程。2.3.1蜡模模料压制进气风罩蜡模模料的指标应满足如下要求：(1) 熔点低，低于56；(2) 线膨胀收缩率低；(3) 热稳定性好；(4) 粘度低；(5) 强度高。风罩的2个进气风道通过2个芯模压制出水溶性型芯，准确定位放置在主型模中经过压型，然后用水溶掉制成。水溶性型芯原材料由碳酰二胺或聚乙二醇再加入一些其他添加剂配制而成

39、，其强度高，脱模性好，表面光洁度好。2.3.2 造型材料铸型材料选用蒸汽水煮法生产出的高强度短柱状半水石膏与国内常用的耐火材料(石英、铝矾土、煤矸石、硅藻土等)混合配制而成。2.3.3 浇注系统的设计在设计浇注系统时，应考虑诸多会影响产品质量的因素：在铸型焙烧过程中，蜡料熔化造成体积膨胀，这会挤压悬空着的石膏型芯，此时石膏芯的湿强度不很高，易导致其断裂；蜡失掉后，形成进气风道部分的两个石膏型芯中间悬空，仅靠两端与四周铸型相连接以支撑其重量，石膏型芯受到两端型壁失水收缩时的挤压，容易造成型芯的中间部位被挤裂；在铸型浇注搬运过程中，可能产生的振动容易导致型芯断裂；此外，铸件尺寸大，壁较薄，热节处较

40、多，铸件易产生浇不足、冷隔、变形或裂纹等缺陷。所以，浇注系统的设计应针对上述可能出现的问题采取预防措施加以解决。将设计的浇注系统通过pro/e的moldcreat功能模拟铝合金液浇注充型过程而产生模拟铸件，再通过分析来查验浇注系统设计是否合理。2.3.4 灌浆灌浆过程中需严格控制水膏比、水温及水质。水量应控制在铸型材料总重量的28%32%范围内，水量过多会降低铸型的强度，过多残留水还造成铸型表层剥离、脱层或产生水纹，影响铸件表面光洁度；水量过少则会导致浆料粘度过大，流动性差，铸件成型不好，气体难于上浮、排出，铸型焙烧时易开裂。水温对浆料凝固时间有很大影响，会影响浆料的流动性。据文献介绍，水质对

41、石膏性能有影响，水质较硬时，水中ca2+、mg2+离子能导致晶格网络不完整，使强度降低，导致铸型型腔壁脱落，并使铸件产生夹砂缺陷，故使用的自来水需经软化处理。灌浆应在相对真空度为0.70.9kpa条件下进行，以便消除浆料中的气泡。2.3.5 焙烧工艺灌浆完毕后的石膏由于有一定的强度回复期，铸型需在空气中放置20h左右，以获得较高的铸型湿强度。脱蜡方式采用直接在焙烧炉中低温脱蜡。焙烧过程采用阶段性升温的焙烧工艺。2.3.6 熔炼与浇注生产进气风罩铸件所选用的材质为高强度优质铝合金zl101at6，为防止合金中fe、zn等有害杂质元素超标，在配料过程中采用高纯al、结晶si、高纯mg及al-ti中

42、间合金等原材料配制。熔炼设备使用石墨坩埚电阻炉。熔炼过程中需严格实施精炼与变质处理工艺。为获得满意的铸件质量，采用的装置实现真空浇注、加压凝固。浇注过程中应注意控制好铸型型腔工作温度和金属液浇注温度两个工艺参数。浇注完毕后施以0.40.8mpa的气压，利用金属液进行二次充型、补缩。加压时间需持续到合金液凝固，如果合金液未凝固就撤去压力，浇口杯金属液会反冒，影响铸件组织的致密性。2.3.7 热处理铸件需进行固溶处理加完全人工时效（t6）才能发挥其优异的综合机械性能。热处理时采用单铸试棒（60.1）mm与铸件随炉进行处理。由于该铸件壁很薄，热处理时易产生变形，尤其是进气风罩的贴合面部位极易变形，所

43、以需要用校正夹具等工装来防止其产生变形。热处理完毕后的铸件经整形、喷砂。2.4小结经过查表和计算，确定了新型飞机进气风罩的铸造成型工艺方案，包括分型面的选定、浇注位置的确定、补缩区域的划分和冒口的排放、浇注系统的设置、砂芯的设置等。可以利用工程图形软件系统中所具备的功能进行铸件的结构分解、截面图的观察，考察铸件的起模情况和是否钩砂，必要时可对所分解的结构体进行重量计算，以作为工艺方案设计的依据。本课题采用虚拟模具对模拟过程进行简化操作。第3章 基于pro/e的新型飞机进气风罩几何造型和数学建模3.1pro/e软件介绍pro/engineer操作软件是美国参数技术公司（ptc）旗下的cad/ca

44、m/cae一体化的三维软件。pro/engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，pro/engineer作为当今世界机械cad/cae/cam领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的cad/cam/cae软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。pro/e第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有的模块。pro/e的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机

45、上。pro/e采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1、参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2、基于特征建模pro/e是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，我们可以随意勾画彩图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3、单一数据库（全相关）pro/engineer是建立

46、在统一基层上的数据库上，不像一些传统cad/cam系统建立在多个数据库上。所谓单一的数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，nc（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构也工程设计的完美结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好的推向市场，价格也更便宜。pro/e软件于1988年推出以来，凭借其强大的功能，已成为最普及3

47、d cad/cam系统。pro/e软件中，最为常用且也是最为强大的是造型功能。造型功能可大体分为实体造型和曲面造型两种。pro/e中的曲面功能非常强大，一些复杂的曲面，往往不能通过实体造型得到，此时就要使用曲面造型功能。因此，掌握曲面造型功能，是解决机械设计中复杂图形及模具曲面造型的关键。3.2进气风罩的pro/e曲面造型设计经多次尝试，若使用实体造型功能，用扫描和混合等功能都很难得到图中的两条管路和外径。而使用曲面造型功能，先生成曲面，再由曲面生成实体，则会很容易生成进气风罩的几何造型。利用pro/e对零件整体采用曲面的特征来建立模型，在建立曲面的过程中，需要画出封闭的面组，然后对这些面组进

48、行实体化。从产品图上看，可以知道模型有对称性，因此可以画出一半的实体，然后镜像组合完成整个实体的建模。图3.1为新型进气风罩实体图。图3.1 新型进气风罩实体此进气风罩实际采用的整体造型思路为：使用曲面功能绘制该造型的每个面，再合并所有的曲面生成一个封闭曲面，最后用实体化功能将上述封闭曲面生成实体。没形成封闭曲面的部分通过加厚命令来生成实体。当实体完全生成后镜像所有实体，最终得到进气风罩的整体造型。图3.23.8为飞机进气风罩造型步骤。图3.2 曲面造型1图3.3 曲面造型2图3.4 曲面造型3图3.5 曲面造型4图3.6 曲面造型5图3.7 实体化图3.8 镜像为进气风罩总体造型3.3曲面造

49、型技巧按照曲面的复杂程度，常用的曲面生成方法有以下两种：（1）简单的平面。简单的平面就可以通过拉伸命令拉伸出一个平面，然后再进行裁剪从而得到所需平面；（2）较复杂的曲面。较复杂的曲面一般要先画出生成曲面所需的各条曲线，再用边界混合命令生成所要求的曲面。在建模过程中，通常还要注意：1、建模过程中除了要先建立三个默认的基准面外，还要适当使用临时基准面。因为建立临时基准面所用的参数变为特征的参数，在特征的修改和删除时能避免不必要的父子关系，简化操作。2、利用曲面生成实体可用实体化和加厚这两个功能来完成。前者可将封闭曲面生成实体，后者可以将非封闭的曲面生成薄板实体。3、曲面模型都是由单一曲面集成的完整

50、、且曲面间没有间隙。曲面模型的最终建成，没有间隙这个因素占了很大的成分。所以在建模的过程中，要特别注意这方面问题。当曲面模型因为某种原因无法生成的时候，要首先考虑这个因素。另外，曲面在集成的过程中，单一曲面的集成方向也尤为重要，它常常会影响到曲面模型的最终建成。4、实际建模中，对模型进行分析，选择正确的建模方法十分重要。“点线面”是几何构造的基本概念，在建模设计中，时常利用此概念作为建模思路，可有效、正确、快速的得到结果。3.4小结曲线、曲面的使用在曲面造型设计中相当重要。曲线用来定义重要的外形边界，围成所要的曲面，是个不同的外形的曲面可合并为单一的曲面，利用曲面经过实体化可生成所需实体。通过

51、边界混合、拉伸、修剪、合并等高级曲面特征的强大功能，使我们能创建任意复杂的曲面模型，获得满意的结果。第4章 基于procast的进气风罩充型凝固过程的数值模拟及仿真4.1 procast软件介绍procast软件是由美国use公司开发的铸造过程的数值模拟软件，采用基于有限元（fem）的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场和电磁场进行模拟分析。在整个制造业，铸造过程模拟现在已作为一个重要的产品设计和过程开发的工具，来提高产量和铸造质量。procast是业界领先的铸造过程模拟软件，基于强大有限元求解器和高级选项，提供高效和准确的求解来满足铸造业的需求。与传统

52、的尝试出错修改方法相比，procast是减少制造成本，缩短模具开发交货时间和改善铸造过程质量的重要完美解决方案。procast是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的专业cae系统。借助于procast系统，采用基于有限元(fem)的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。因此，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前，就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。procast可以模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、

53、缩松和铸造过程中微观组织的变化。作为esi集团热物理综合解决方案的旗舰产品，procast是所有铸造模拟软件中现代cad/cae集成化程度最高的。它率先在商用化软件中使用了最先进的有限元技术并配备了功能强大的数据接口和自动网格划分工具。全部模块化设计适合任何铸造过程的模拟；采用有限元技术，是目前唯一能对铸造凝固过程进行热流动应力完全耦合的铸造模拟软件。procast可以用来模拟任何合金，从钢和铁到铝基、钴基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。esi旗下的热物理仿真研究开发队伍汇集了全球顶尖的五十多位冶金、铸造、物理、数学、计算力学、流体力学和计算机等多学科的专家，专业从

54、事procast和相关热物理模拟产品的开发。得益于长期的联合研究和工业验证，使得通过工业验证的材料数据库不断地扩充和更新，同时，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。除了基本的材料数据库外，procast还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，从而自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热和固相率的变化等热力学参数。procast提供了能够预测评估整个铸造过程的完整软件解决方案，包括模型填注，凝固，微观构造和热力的模拟。能够快速可视化铸型设计的影响，使得制造过程的早期能够做出正确的决策。4.1.1软件模块procast是针对铸造过程进行流动传热应力耦

55、合做出分析的系统，是由完整的模块软件解决方案提供众多的模块和工程工具来满足铸造业最复杂的要求，在过程的每个阶段选择每个特定的模块。该软件包括8个模块：1、基本模块base module：基本模块包括温度场、凝固、材料数据库及前后处理 2、剖分模块meshing：产生输入模型的四面体体网格 3、流动模块fluid：对铸造过程中的流场进行模拟分析 4、应力模块stress：对铸造过程中的应力场进行模拟分析 5、微结构模块microstructure：对铸件的微观组织结构进行模拟分析 6、电磁模块electromagnetic：对铸造过程中的电磁场进行模拟分析 7、辐射模块radiation：对铸造

56、过程中的辐射能量进行模拟分析 8、逆运算模块inverse：采用逆运算计算界面条件参数和边界条件参数4.1.2模拟过程procast软件的模拟流程包括： 1、创建模型：可以分别用i-deas、pro/e、ug、patran、ansys 作为前处理软件创建模型，输出procast可接受的模型或网格文件。 2、meshcast：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。 3、precast：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.out和xxp.out文件。 4、datacast：检查模型及

57、precast中对模型的定义是否有错误，如有错误，输出错误信息，如无错误，将所有的模型信息转换为二进制，生成xx.unf文件。 5、procast：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。 6、viewcast：显示铸造过程模拟分析结果。 7、postcast：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。4.1.3应用范围procast软件可应用于砂模铸造、金属模铸造、熔模铸造、高/低压铸造、精密铸造、蜡模铸造、连续铸造等多种铸造过程。4.2充型凝固过程数值模拟数学模型procast铸造工艺分析软件采用了先进的数学模型，成功地实现了流场、温度场以及凝固过程的耦合。其基本结构如图4.1所示。充型凝固

58、过程数值模拟数学模型能量传输模型动量传输模型质量传输模型潜热处理非稳态n-s方程质量传输连续方程非稳态线性方程非稳态线性模型图 4.1 充型、凝固过程数值模拟数学模型图4.3充型及凝固过程数值模拟流程利用procast铸造过程仿真分析软件进行压铸成型过程的数值模拟的主要步骤为：1、前处理实体模型的建立和导入；网格的划分；设定模拟条件，包括材料属性、初试条件和边界条件等的设定；求解条件的设定，设定求解方法、终止条件、数据保存等；2、求解，启动求解器3、后处理后处理用于模拟结果的观测，其中包括动态观测充型和凝固过程，不同时刻任意截面的充型和凝固状态、温度分布等。4.4网格的划分划分网格一般采用三种

59、方法，第一种是首先在pro/e中将进气风罩实体保存副本为为iges格式的实体文件，再将iges格式的文件导入meshcast，然后利用meshtools进行划分面网格。在面网格划分完成后，检查结果中显示无错误，就可以进行体网格的划分。假如在面网格的划分中出现错误，最好修复错误网格后再进行体网格的划分，否则在划分体网格的过程中会出现错误。第二种方法是在pro/e中划分面网格，type采用maximum element size(最大元素尺寸)，以零件(component)为基准(reference)，元素尺寸(element size)设为10，在创建有限元网格时，选择网格类型为面网格(boundary)，壳元素类型采用三角形(triangles)，这里必须采用三角形，否则meshcast不能识别，最后再备份为ans格式的文件，经过工具转换成sm格式的文件导入meshcast，然后利用meshtools进行划分体网格。第三种方法是在pro/e中直接划分体网格，然后备份成ans格式的文件，直接进入precast进行模拟参数的设定。4.4.1面网格的划分在pro/e中划分网格的精确度不如meshcast。在meshcast中划分网格，需要分两步进行，划分面网格和体网格。当面网格划分结束后修复错误直到检查结果中显示无错时才能进行体网格的划分，且修复错误都是手动进行，较难完成