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鑄造CAE集成技術(shù)研究綜述

作者：管理員    發(fā)布于：2016-03-14 13:58:45    文字：【】【】【】

摘要：

　　鑄造是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品毛坯的重要方法，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。鑄造企業(yè)面臨著日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　傳統(tǒng)的試錯(cuò)法鑄造設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)企業(yè)的要求鑄造企業(yè)必須變革傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、引進(jìn)新技術(shù)、新方法。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用幾乎滲透到鑄造生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

　　1992年，美國(guó)國(guó)家先進(jìn)金屬加工技術(shù)中心在并行工程的思想基礎(chǔ)上提出了產(chǎn)品與工藝并行設(shè)計(jì)（RP2D――Rational Product/ProcessDesign）方法u」，并應(yīng)用于鑄件的產(chǎn)品與工藝研究，為促進(jìn)鑄造企業(yè)的技術(shù)改造和進(jìn)步帶來(lái)了全新的活力其中鑄造過程計(jì)算機(jī)模擬及優(yōu)化技術(shù)（簡(jiǎn)稱鑄造CAE技術(shù)）是此系統(tǒng)屮的關(guān)鍵技術(shù)。

　　鑄造CAE技術(shù)可以徹底改變鑄造工藝方案制定過程中的不確定性，確保工藝的可行性和鑄件質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高市場(chǎng)應(yīng)變能力，是改善企業(yè)T（上市時(shí)間）、Q（質(zhì)量）、C（成本）、S（服務(wù)）的必要手段，對(duì)提高鑄造企業(yè)的生產(chǎn)水平和競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　鑄造CAE技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外己越來(lái)越受到重視。近五年來(lái)美國(guó)鑄造工業(yè)采用鑄造CAE技術(shù)以指數(shù)曲線的速度迅速增長(zhǎng)。歐洲及日本已有約10%的鑄造工廠采用這項(xiàng)技術(shù)，英國(guó)鑄造業(yè)為提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力最近向企業(yè)提出了多項(xiàng)要求，其中明確提出了“無(wú)模擬則無(wú)銷售”的原則。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在鑄造CAE技術(shù)的研究與開發(fā)方面投人的費(fèi)用已超過數(shù)千萬(wàn)美元，相繼開發(fā)出了一枇實(shí)用化商品化軟件包，但價(jià)格昂貴。近些年國(guó)內(nèi)鑄造企業(yè)對(duì)鑄造CAD/C.AE技術(shù)也日益重視。國(guó)內(nèi)有多家院校與研究所，如清華大學(xué)、華中理工大學(xué)、華北工學(xué)院、沈陽(yáng)鑄造研究所等單位對(duì)鑄造CAE技術(shù)也進(jìn)行f研究。

　　鑄造C.AE集成技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科并存的綜合技術(shù)。涉及信息科學(xué)、材料科學(xué)、工程力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和鑄造工藝學(xué)等。鑄造CAE集成技術(shù)集前處理、工程數(shù)據(jù)庫(kù)、充型及凝固過程數(shù)值計(jì)算、應(yīng)力計(jì)算、微觀組織模擬、缺陷預(yù)測(cè)、后處理顯示技術(shù)為一體。國(guó)內(nèi)外鑄造研究者在這些方面做了許多卓有成效的研究工作。

　　1-1前處理技術(shù)鑄造CAE經(jīng)歷了從二維，準(zhǔn)三維至真三維的過程，三維實(shí)體建模是鑄造三維CAE集成技術(shù)的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)鑄造CAE軟件三維造型都依托于國(guó)外三維造型軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，國(guó)外鑄造CAE專用軟件有的雖有三維建模功能，但總體來(lái)說功能較弱。國(guó)外有一批三維造型功能很強(qiáng)的軟件如IDcas，Pro/E.Solidwork等。目前普通采用的方法是通過數(shù)據(jù)交換文件實(shí)現(xiàn)與鑄造C.AE專用軟件的集成。為了實(shí)現(xiàn)不同CAD軟件間進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換，不同CAD軟件使用了統(tǒng)一徐宏：男，1971年生，博士從事計(jì)算機(jī)在鑄造中應(yīng)用研究通信地址：山西太原華北工學(xué)院鑄造工程研究中心CAD系統(tǒng)與鑄造CAE系統(tǒng)的接口。

　　網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)是鑄造CAE中前處理技術(shù)的重要組成部分。網(wǎng)格自動(dòng)剖分主要分為有限元網(wǎng)格及有限差分網(wǎng)格。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)鑄造CAE軟件都基于有限差分。一般都基T STLJGES或DXF文件進(jìn)行研究。

　　的系統(tǒng)集成成為當(dāng)今科技界的熱門研究課題。IGES、STL等圖形交換文件只具備幾何信息，已逐漸不能適應(yīng)系統(tǒng)集成的需求，STEI）（StandardforExchangeofProductModelData）標(biāo)準(zhǔn)由于覆蓋產(chǎn)品全部信息，這種格式能完整地?zé)o二義性表達(dá)產(chǎn)品信息并獨(dú)立于要處理這種格式的軟件。STEP作為數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)己成為今后集成技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。

　　1.2后處理技術(shù)后處理技術(shù)也稱科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，是隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的。先進(jìn)的后處理技術(shù)是鑄造CAE軟件實(shí)用化的體現(xiàn)和保障。科學(xué)計(jì)算可視化（VisualizationinScientificComputing簡(jiǎn)稱VISC）是1987年由B.H.Maccormick等為美國(guó)國(guó)家基金會(huì)所寫的一份報(bào)告中首次提出來(lái)的M，它是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)工作者洞察他們的數(shù)據(jù)。Vise的研究領(lǐng)域中最活躍的是三維數(shù)據(jù)場(chǎng)的可視化技術(shù)。

　　三維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)是最近十年逐步發(fā)展起來(lái)的。基本的可視化算法根據(jù)顯示不同可分為兩類：面繪制技術(shù)（SFSurfaceFitting）和直接的體繪制技術(shù)（DVR―DirectVolume Rendering）。開發(fā)生成高質(zhì)量、高速度的圖形顯示系統(tǒng)一直是三維圖形研究者努力的目標(biāo)。

　　的出現(xiàn)在vise中發(fā)揮r其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)m.它是一個(gè)性能￠：越的三維開放圖形庫(kù)，它獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，在高級(jí)圖形技術(shù)上表現(xiàn)異常優(yōu)越，它包括建模、變換光線處理、色彩處理、動(dòng)畫等、為實(shí)現(xiàn)逼真清晰的三維繪制效果提供r好的條件，在鑄造CAE后處理顯示技術(shù)中越來(lái)越被重視。國(guó)內(nèi)肀屮理工大學(xué)、中科院金屬研究所、華北工學(xué)院已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行研究和開發(fā)。

　　1.3鑄造過程溫度場(chǎng)和流場(chǎng)數(shù)值模擬鑄件凝固過程溫度場(chǎng)模擬可以追溯到20世紀(jì)40年代。

　　綜觀凝固數(shù)值模擬的發(fā)展過程可以看到，鑄件凝固過程數(shù)值模擬可分為三個(gè)階段：第一階段，凝固模型主要以經(jīng)典傳熱理從宏觀的尺度（mm級(jí)）研究鑄件凝固過程；第二階段，凝固模型建立在第一代模型基礎(chǔ)上，考慮凝固動(dòng)力學(xué)因素，從微觀尺度（Mm級(jí)）模擬固液界面現(xiàn)象，其預(yù)測(cè)的根據(jù)則完全涉及凝固組織特征、組織轉(zhuǎn)變、鑄態(tài)組織特點(diǎn)以及對(duì)縮孔縮松的預(yù)測(cè)等；第三階段，凝固數(shù)值模擬從原子尺度（rnn級(jí)）上描述同液界面現(xiàn)象，其預(yù)測(cè)的根據(jù)完全建立在基礎(chǔ)理論的研究上。目前，第一階段的研究已經(jīng)比較成熟，第二階段的研究也取得了進(jìn)展。第三階段的凝固數(shù)值模擬研究由于算法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的困難，目前還處于基礎(chǔ)理論的研究階段。

　　相對(duì)于溫度場(chǎng)模擬，流動(dòng)場(chǎng)的模擬出現(xiàn)相對(duì)較晚。這是由于充型過程的計(jì)算機(jī)模擬是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算問題。

　　真正意義上鑄件充型數(shù)值模擬始于80年代初期。1983年，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者W.S.Hwang在匹茲堡大學(xué)與R.A.Stoehr教授首先將計(jì)算流體力學(xué)引入鑄造充型過程數(shù)值模擬，模擬了液態(tài)金屬流入一矩形型腔和階梯式垂直型腔的充型過程〃1，開辟了充型過程研究的新領(lǐng)域。1984年美國(guó)學(xué)者P.V.Desm研究了強(qiáng)制對(duì)流條件下內(nèi)澆道中液體的溫度分布，用渦流函數(shù)法計(jì)算f熱對(duì)流對(duì)溫度場(chǎng)的影響，首次將充型過程中的流動(dòng)現(xiàn)象與傳熱現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)m.1987年，在丹麥科技大學(xué)的中國(guó)訪問學(xué)者王君卿將二維SOLA―VOF發(fā)展成三維計(jì)算程序。并加入三維傳熱計(jì)算。1989年，H.J.Lm和W.S.Hwang―起開發(fā)出了三維充型數(shù)值模擬軟件，把MAC和SOLA法結(jié)合在一起研究三維流動(dòng)問題。之后，充型模擬基本進(jìn)入三維問題。1988年以前，人們對(duì)帶傳熱的鑄造充型問題研究很少。1988年H.J.Lm和W.S.Hwang在流體計(jì)算中引入f能量守恒方程，進(jìn)行了流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的二維耦合模擬。

　　1992年，G.Upadhya和A.J.Paul等將充型過程流體流動(dòng)、傳熱及凝固過程結(jié)合為一個(gè)整體進(jìn)行數(shù)值模擬1M.1993年，S.B.Kim等提出了考慮枝晶間液體流動(dòng)的縮松預(yù)測(cè)判據(jù)（》（TVu〃），但由于該U（枝晶間液體流動(dòng)速度>較難確定，因此在使用上有困難�？紤]其影響，許多學(xué)者把凝固的熱狀況、枝晶間液體流動(dòng)和氣體析出結(jié)合起來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行廣泛研究。目前對(duì)縮松預(yù)測(cè)的研究可分為二類：①縮松形成主要?dú)w結(jié)為凝固過程中固液區(qū)收縮相關(guān)的補(bǔ)縮問題所致。②主要?dú)w結(jié)為補(bǔ)縮不足、氣體滯留、夾雜物、凝同機(jī)理、宏觀偏析共同作用所致。

　　最近研究指出，晶粒細(xì)化、精煉對(duì)縮松形成也有較大影響。固液區(qū)的宏觀組織的結(jié)晶取向，比如柱狀枝晶會(huì)降低縮松形成的可能性。

　　總之，合金的縮孔縮松涉及到合金性質(zhì)、溫度梯度、凝固速度、含氣量等眾多因素，這些因素相互之間相互作用，因此縮松縮孔的預(yù)測(cè)的研究仍在繼續(xù)進(jìn)行中。

　　充型過程流場(chǎng)計(jì)算所求解的控制方程有拉格朗日方法和歐拉方法兩種方法。拉格朗日法具有計(jì)算公式簡(jiǎn)單、自由表面易于確定的優(yōu)點(diǎn)，但由于質(zhì)團(tuán)的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格的纏結(jié)、扭曲，因而需要不斷地重新進(jìn)行網(wǎng)格剖分，導(dǎo)致計(jì)算量大。因此，只能用在二維及簡(jiǎn)單三維形狀的流體計(jì)算中。歐拉法使用方便，計(jì)算量小，因而在計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。下面從流場(chǎng)計(jì)算方法和充型過程自由表面處理兩方面分別加以評(píng)述。

　�、偎俣葓�(chǎng)和壓力場(chǎng)的求解目前流場(chǎng)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的求解方法主要分為MAC類方法、SIMPLE類方法以及SOLA法三種。

　　MAC法是1965年美國(guó)LosAlamos實(shí)驗(yàn)室的Harlow和Welsh提出的求解壓力連續(xù)方程的半隱式方法。該法主要特點(diǎn)是壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)同時(shí)迭代，計(jì)算速度較慢，另外對(duì)帶有自由表面的流動(dòng)則處理不太方便。

　　SOLA方法是由LosAlamos實(shí)驗(yàn)室的C.W.Hirt和B.D.N1Chols于197S年提出的一種算法提出了一種壓力修正方法，在SOLA法迭代減慢時(shí)，用較為準(zhǔn)確的壓力猜測(cè)值可以加快迭代收斂的速度。加快計(jì)算速度是目前流場(chǎng)模擬領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　鑄造過程是帶有自由表面的流動(dòng)問題。這類問題的難點(diǎn)之一就是確定自由表面的位置和形狀。目前用T處理這一問題的方法主要有：MAC法、守恒標(biāo)量法及體積函數(shù)（VOF）法。

　　MAC法在處理自由表面時(shí)施加了大量粒子，計(jì)算及存儲(chǔ)這些粒子的位置不僅占用巨大內(nèi)存，而且增加了計(jì)算時(shí)間，已經(jīng)逐漸不被采用。

　�。╒OF-VdumeofFlmd）。VOF法的提出是自由表面處理方法的一重大突破。VOF法中流場(chǎng)計(jì)算只在液相中進(jìn)行，方程求解必須采用施主-受主格式（AcceptorandDonor），否則會(huì)導(dǎo)致物理現(xiàn)象失真。原始的VOF法采用的施主-受主法對(duì)三維計(jì)算不太適合1221，計(jì)算過程中會(huì)出現(xiàn)某些數(shù)值錯(cuò)誤，必須采取一定的方法修正。

　　的，它米用一個(gè)守恒標(biāo)量函數(shù)中來(lái)確定自由表面，守恒標(biāo)量法中流場(chǎng)的求解是在包含氣相在內(nèi)的全域內(nèi)求解，這樣就避免了施加自由表面邊界條件，毋需確定0由表面取向。對(duì)紊流自由表面流動(dòng)的模擬尤其有利，但此法加大了計(jì)算的工作量。

　　在自由表面處理上近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的改進(jìn)工作，中國(guó)臺(tái)灣學(xué)者W.S.Hwang提出將表面單元及其周圍空單元可能的64種分布減少到24種，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算。丹麥技術(shù)大學(xué)的Xue和P.N.Hansen提出一種所謂的三維施主-受主格式（3D-Acceptor-Donor）以進(jìn)行三維充型過程的數(shù)值模擬。日本東北大學(xué)的新山英輔、英齋浩一提出了一種0適應(yīng)壓力迭代法（AdaptivePressureIteration）231，并將VOF方法中的壓力邊界條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

　　總之，對(duì)流場(chǎng)數(shù)值模擬在數(shù)學(xué)模型的有效性、適用性和求解的準(zhǔn)確性等方面，仍需做大量的研究工作。

　　1-4鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬鑄件熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬起于20世紀(jì)60年代。近十幾年隨著凝固溫度場(chǎng)模擬的基本成熟，，凝固過程熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬得到了快速發(fā)展。國(guó)外一些鑄造分析軟件如MAGMA、Procast具有專門應(yīng)力分析模塊。國(guó)內(nèi)鑄件熱應(yīng)力模擬研究一般都基于國(guó)外通用工程有限元分析軟件，如ANSYS、r-DEAS.這些分析軟件提供了熱彈塑性模型等多種一般材料力學(xué)模型，可以進(jìn)行一定程度的凝固過程應(yīng)力模擬。但這些軟件沒有專門針對(duì)鑄件凝固過程中的傳熱模型和應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型。沒有提供描述準(zhǔn)固相區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型，因此對(duì)鑄件熱應(yīng)力模擬帶來(lái)較大誤差。對(duì)這些通用工程分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)使之更適合鑄件凝固應(yīng)力模擬是目前國(guó)內(nèi)研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)開發(fā)鑄件凝固應(yīng)力模擬專業(yè)自主版權(quán)實(shí)用化軟件基本還處于研究階段。

　　1.5鑄件凝固微觀組織模擬隨著鑄件宏觀模擬的日趨成熟，鑄件凝固微觀組織模擬已經(jīng)成為當(dāng)前材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)。通過模擬可以預(yù)測(cè)鑄件微觀組織形成，進(jìn)而預(yù)測(cè)力學(xué)性能，最終控制鑄件質(zhì)量。微觀模擬雖然是個(gè)較新的凝固模擬研究領(lǐng)域，但也已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。鑄件微觀組織模擬最早開始于1966年，美國(guó)Oldfield首先指出了鑄件凝固過程宏觀溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上將傳熱方法中的熱源頂表示成形核率和生長(zhǎng)速度的函數(shù)，從而獲得能反映鑄件凝固組織形成過程的模擬結(jié)果的基本思想。其后國(guó)外許多學(xué)者分別對(duì)共晶合金、枝晶合金的凝罔組織模擬進(jìn)行研究，預(yù)測(cè)鑄件中的二次枝晶間距（CAS）和鑄件抗拉強(qiáng)度（UTS）的關(guān)系。國(guó)外已經(jīng)提出了很多方法和模型來(lái)預(yù)測(cè)共晶合金和枝晶合金的形核和長(zhǎng)大過程。目前微觀組織模擬方法有確定性方法（deterministicmodeling）、隨機(jī)性方法（stochsticmodeling）和相場(chǎng)方法（phasedieldmethod）。研究微觀組織模擬主要應(yīng)用確定型模型，如等軸晶模型、Fe -C合金固態(tài)相變模型、包晶轉(zhuǎn)變模型等。這些確定型模型適用于大多數(shù)工業(yè)合金=近10年來(lái)，國(guó)外鑄件微觀組織模擬取得了顯著進(jìn)展，在確定型模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了隨機(jī)因素的影響，諸如晶核的位置和晶體取向等，從而可對(duì)一系列重要現(xiàn)象進(jìn)行模擬，例如柱狀晶和等軸晶的擇優(yōu)生長(zhǎng)，晶體結(jié)構(gòu)柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變等。美國(guó)著名的鑄造軟件Procast就能模擬確定型和隨機(jī)型模型的顯微組織，從而預(yù)測(cè)機(jī)械性能的優(yōu)劣。

　　近些年國(guó)內(nèi)也形成了一支強(qiáng)大的鑄件微觀組織模擬研究力量，如清華大學(xué)、沈陽(yáng)鑄造研究所、大連理工大學(xué)等單位在微觀組織模擬研究方面都取得了較大的成果。

　　1.6鑄造工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)鑄造CAE集成技術(shù)中工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是確保CAE計(jì)算精度及實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)用化、商品化的一項(xiàng)重要技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，它始丁+20世紀(jì)60年代末，其發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍廣，在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)、人工智能和專家系統(tǒng)等領(lǐng)域，其重要性更加突出。工程數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和應(yīng)用已成為CAD/CAE領(lǐng)域的一個(gè)核心問題。

　　鑄造CAE中涉及到大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，原始的用文件管理和處理難以滿足鑄造CAD/CAE/CAM―體化技術(shù)的要求。鑄造CAE工程數(shù)據(jù)庫(kù)必須具有以下特征：①大量；②持久；③可靠；④共享。采用工程數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化；②數(shù)據(jù)冗余度�。虎劬哂休^高的數(shù)據(jù)和程序的獨(dú)立性；④統(tǒng)一的數(shù)據(jù)控制功能。隨著數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，鑄造CAE技術(shù)中文件管理系統(tǒng)日益顯示出劣勢(shì)，同時(shí)也是阻礙鑄造CAE集成技術(shù)實(shí)用化商品化的因素所在。因而開發(fā)更好的具有數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)獨(dú)立、集中管理以及安全性、一致性、并發(fā)性控制功能的鑄造工程數(shù)據(jù)庫(kù)已成為鑄造CAE技術(shù)中的重要課題。

　　2結(jié)論鑄造CAE集成技術(shù)是國(guó)際公認(rèn)的先進(jìn)制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域及使用技術(shù)，是提高鑄造企業(yè)生產(chǎn)水平和競(jìng)爭(zhēng)力的重要方法，是鑄造企業(yè)以高新技術(shù)改造傳統(tǒng)生產(chǎn)方法的有利手段，是鑄造工藝由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的重要途徑，對(duì)推動(dòng)鑄造技術(shù)進(jìn)步具有足輕重的作用。開展以集成化、實(shí)用化及自主版權(quán)為目標(biāo)的鑄造CAE集成技術(shù)研究是非常必要和急迫的。高功能、高保真、高效率的多學(xué)科鑄造宏觀/微觀建造與仿真已經(jīng)成為重要的研究發(fā)展方向。

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