凝固过程模拟仿真课程论文铸造过程数值模拟的研究发展现状(Research on the development status of numericalsimulation of casting process)学院名称：材料科学与工程学院专业班级：复合材料1102学生姓名：不知道学号：3110703451指导教师：怯喜周铸造过程数值模拟的研究发展现状摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。
工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。
铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。
关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型；Research on the development status of numerical simulationof casting processAbstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate.Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling;1 前言凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。
从熔岩冻结为地壳到海洋中冰山浮现,都是自然演进历程中凝固过程的重要体现。
而在人类的生产实践中,从矿石冶炼到金属构件的铸造成形、焊接组合,无一不涉及到凝固过程.作为从液态金属到最终构件的最直接成形途径,铸造同时也是现有材料成形方法中最为复杂的工艺过程。
使特定成分合金液在外场约束条件下完成凝固过程,可以获得具备不同内部组织及外部形态的铸件。
深入理解并准确掌握外场约束条件下的凝固过程,是实现铸件性能控制和优化的前提。
建立凝固过程的精确理论描述和可靠数值模拟,在此基础上实现凝固过程的精巧控制,获得铸造工艺和铸件性能的最佳优化,已经成为了当前物理冶金学家及材料研究学者的关注热点[1]。
铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用。
同时，铸造业又是产品质量不易保证、废品率较高的产业，因此，对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，加速产品更新换代，对于促进传统工业的技术改造具有重要的现实意义[2-4]。
近年来，随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE 等多项技术已大量应用于生产实际。
以工业发达国家为例，目前已有15~20%的铸造企业在生产采用凝固模拟分析技术，精确地预测缺陷以及改进铸件的出品率。
工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真[2-4]。
为此，铸造工艺CAD和数值模拟以及相应的基础理论理所当然地成为铸造学科研究中的前沿课题。
尽管铸造过程模拟的应用已经有几十年的历史,但是直到20世纪80年代,才开始实现模拟软件、计算机硬件和人力资源的完美结合,工业上以计算机为基础的模拟才开始普遍应用。
目前,计算机模拟已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具,并在某些方面已经进入工业化应用阶段,成为铸造行业发展不可缺少的环节。
2 计算机技术应用于铸造过程模拟的发展最早用于铸造过程模拟的是美国哥伦比亚大学的“Heat and Mass Flow Analyzer”分析单元,基于此分析单元Victor Paschkis于1944年在砂模上做了热传导分析,其很多研究成果发表在AFS公报上[5]。
1954年,Sarjant和Slack计算了铸铁块内部温度分布,并使用数值方法计算了瞬时二维热流模型。
1962年丹麦的Fursund研究热在砂模中传导对钢铸件表面影响的论文是铸造行业首次发表计算机模拟的文献[5]。
1959年General Electric(GE)公司的Campbell、Villen Weider等研究了应用有限差分法(FDM)模拟生产大型厚铸件制品,在1965年发展了可预测的凝固模型。
但FDM法无法追踪金属充型时的自由表面,所以在20世纪80年代早期,一种被称为流动体积法(V olume of Flow;VOF)由Hirt和Nicholas引入,把流动体积函数作为主要参数,用来追踪流动自由表面[6]。
有限元法(FEM)最初是用来解决结构复杂应力分析问题的,但在20世纪60年代,有人开始应用FEM法解决稳态和瞬态热传导问题。
其中AFS传热委员会发起并提出了鼓励更深入开展此项研究的计划,密歇根大学的研究人员发表了一些重要的文献;Rober Pehlke和James Wilkes模拟了砂型铸造过程,浇注了包括碳钢、铝和含铅的黄铜合金等各种材料,结果表明,FDM法很大程度上受浇注介质热物理参数的影响[5]。
1973年挪威的VictorDavies等人在浇注铝制品时,将FDM法应用于砂型铸造、金属型铸造和低压铸造。
1974年Los Alamos科学实验室开发了计算机生成的颜色移动图片技术,这种技术使用标准的缩微胶卷拍摄装置,通过对一系列光过滤器设置的控制程序,利用11种复合颜色描述不同温度范围,最终产生条状或斑点状图像,实现了凝固模拟技术铸型剖面的可视化。
从20世纪70年代到80年代,随着计算机技术的提高,建立了更多的模拟过程与计算模型,这些模型可进行充型模拟,预测浇注温度变化、模拟液体流动方式以及预测这些因素对铸件质量的影响。
80年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用,80年代后期,充型模拟快速发展,这使得铸造厂能有效利用浇注系统消除由流动引起的铸造缺陷,对凝固和补缩能产生一个最佳的温度分布,提高了铸件质量和产率。
90年代后期,发展了微结构模拟,它除了对冶金学有更深意义的影响外,还能预测和控制铸件的机械性能。
此后不久,人们通过对流和扩散模拟认识了熔融金属液体在生长的枝晶臂间流动的过程[7]。
90年代后期,对应力和变形的模拟研究,更有利于控制铸件的扭曲变形,减少残余应力,最大程度地消除热裂纹和裂缝,减少模具变形,提高了模具的使用寿命。
3 铸造工艺CAD的发展与应用状况铸件成形过程的影响因素繁多，且同一铸件可同时有多种不同的工艺方案。
所以，一个铸件的成熟工艺不仅需要有一定的生产经验，且往往需要反复试验才能确定[8]。
铸造工艺CAD是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间应完成的全部工艺设计工作。
主要包括铸件的分型面、加工余量、拔模斜度、芯头、浇注系统、冒口及各种工艺符号的设计。
浇冒系统的设计是其中的关键，并随金属材料的凝固特性而异。
此外，铸造工装部分的CAD主要包括模样设计、模板设计、芯盒设计和砂箱设计。
在各种设计生成的图形中关键是上下模板的装配图和芯盒图，因为它包含了对所有模样的加工、装配信息，同时提出了设计砂箱的相关要求[9-11]。
目前，国内外研制开发的铸造工艺CAD系统，概括起来可以分为通用和专用两类[10-11]。
通用铸造CAD系统主要用于普通砂型铸造工艺的设计，分为铸钢、灰铸铁、球铁及有色等种类，其功能包括浇注系统设计，补缩系统设计，分型面、起模斜度、加工余量的确定，尺寸标注，以及工艺图及工艺卡的输出；专用铸造CAD系统主要用于某些特定范围和特定目的的铸造工艺设计，如压铸型CAD、齿轮类CAD,阀体类CAD、曲轴类CAD等。
铸造工艺计算机辅助设计程序的功能主要表现在以下几方面：（1）铸件的几何、物理量计算，包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算；（2）补缩系统的设计计算，包括冒口的设计和计算、冷铁设计计算和设计合理的补缩通道；（3）浇注系统的设计计算，包括选择浇注系统的类型和各部分截面积计算；（4）绘图，包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡等图形的绘制和输出。
在铸造工艺CAD中，较多的是采用AutoCAD软件(2D)作为图形处理的支撑软件（国内已有很多在其基础上二次开发的软件）完成铸件图、铸造工艺卡等图形处理功能。
目前，随着三维造型理论和实用化技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺CAD系统具有许多二维系统无法比拟的优越性，如几何信息的完整性，易于与铸造工艺CAE 系统、铸造工艺CAD/CAM 系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工艺图样等，必将成为铸造工艺CAD系统的主流。
如今的三维软件既有大型软件，如UG、Pro/Engineer、CATIA，也有中档软件，如Solid Edge、Solid Work、MDT 等以及其它低档的一些软件[11]。