计算机模拟在热加工领域的应用及研究方向
计算机模拟在热加工领域的应用及研究方向王姣龙 087440摘要：随着计算机数值模拟在铸造中的应用越来越广泛，掌握铸造计算机模拟技术变得越来越重要。本文分别从计算机模拟过程和数值模拟在重力铸造、压力铸造，低压铸造等方面的应用介绍了计算机数值模拟技术，其中包括了该技术的应用领域以及研究方向。关键词：计算机 数值模拟 铸造1、铸造中的计算机模拟概述铸造过程数值模拟技术经过了多年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说十年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么十年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。九十年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，在实际生产中起到了较为重要的作用。2、计算机模拟过程2.1维模型的生成与电子文档交换如何得到部件精确的电子数据模型，是关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。可以利用IDEAS进行实体建模和数据转换。IDEAS9 集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过MasterModeler模块可以得到复杂模型(见图1)，既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计；曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理(见图3)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图2)以作为RP设备的输入。图1 阀体三维造型实体模型图2阀体三维实体模STL文件模型图3逆向工程处理过程2.2凝固过程的数值模拟原理铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。铸造过程虽然很复杂，偶然因素很多，但仍遵循基本科学理论，如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样，铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题，就是要在给定的初始条件和边界条件下，求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的发展，使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟，可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。通过数学物理方法抽象，铸造过程可表征成几类方程的耦合：1 热能守恒方程; 2 连续性方程; 3 动量方程.常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度一般，当铸件具有复杂边界形状时，误差较大，应力分析时需将差分网格转换成有限元网格进行计算。有限元法技术根据变分原理对单元进行计算，然后进行单元总体合成，模拟精度高，可解决形状复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分：前处理、中间计算和后处理。前处理主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息；铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计算模型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处理是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5 是铸造过程的数值模拟系统组成。铸造过程流场、温度场计算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预测，优化工艺设计，控制铸件内部质量。通过在计算机上进行铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比，选择最优工艺，能大幅提高产品质量，提高产品成品率。2.3凝固过程的数值模拟软件铸造过程数值模拟软件经过多年的研究和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。ProCAST是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和
