畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)氣風(fēng)罩設(shè)計

1、摘要目前，我國傳統(tǒng)的飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩大多是用鋁合金鈑金件分塊組合焊接而成，工序繁瑣，生產(chǎn)周期長，而且其焊接質(zhì)量難以保證，在飛機(jī)飛行過程中其焊接部位經(jīng)常被吹裂。為了提高飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的使用壽命，降低生產(chǎn)難度，解決生產(chǎn)中因分塊組合焊接而帶來的質(zhì)量隱患，本文采用高強(qiáng)度鋁合金zl101a和石膏型熔模精密鑄造的工藝來成型進(jìn)氣風(fēng)罩，并采用procast鑄造模擬軟件對飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的充型凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。鑄造過程的計算機(jī)模擬是近幾十年迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代鑄造工藝研究方法，這種方法通過對鑄件進(jìn)行計算機(jī)試澆及工藝分析，能較快的發(fā)現(xiàn)決定鑄件質(zhì)量的內(nèi)部因素，對可能出現(xiàn)的各種鑄造缺陷提出預(yù)報，從而在工藝實施前優(yōu)化所采用的

2、鑄造工藝參數(shù)，這對于指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計、提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。所以，為了實現(xiàn)飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的鑄造生產(chǎn)方式，本論文對其鑄造過程中的充型凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先，本文對新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的石膏型熔模精密鑄造工藝進(jìn)行了簡單的分析。在此基礎(chǔ)之上，建立基于pro/e的進(jìn)氣風(fēng)罩三維幾何造型。最后利用procast鑄造模擬軟件對進(jìn)氣風(fēng)罩的整個充型凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以精確顯示其充型凝固過程中的充填不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置以及殘余應(yīng)力和變形。在此次模擬所設(shè)置的工藝參數(shù)下，鑄件填充率可達(dá)到98%，這主要是由于鑄件在凝固時收縮使?jié)部谔幃a(chǎn)生塌陷，所以在實際澆注過程中要注意及時補(bǔ)縮。其他缺陷的數(shù)量以及分布也基

3、本符合鑄件最終的使用要求，因此，這種新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的成形工藝可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。通過對模擬的缺陷的分析，還可以對進(jìn)氣風(fēng)罩的鑄造工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，從而在實際生產(chǎn)前就采取有效的工藝措施減少或避免缺陷的產(chǎn)生。這種方法對企業(yè)的實際生產(chǎn)具有一定的意義。關(guān)鍵詞：進(jìn)氣風(fēng)罩；石膏型熔模精密鑄造；凝固溫度場；充型流場；數(shù)值模擬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. 目錄摘要iabstractii第1章 緒論31.1課題研究背景31.2新型進(jìn)氣風(fēng)罩的研究現(xiàn)狀41.3鑄造充型凝固過程數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀51.3.1鑄造充型過程數(shù)值模擬的發(fā)展61.3.2鑄造凝固過程數(shù)值模擬的發(fā)展81.4本文研究的主要內(nèi)容及意義9第2章

13、新型進(jìn)氣風(fēng)罩鑄造工藝設(shè)計112.1石膏型熔模精密鑄造的特點112.2模具制造過程122.3生產(chǎn)工藝控制過程122.4小結(jié)14第3章 基于pro/e的新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩幾何造型和數(shù)學(xué)建模153.1pro/e軟件介紹153.2進(jìn)氣風(fēng)罩的pro/e曲面造型設(shè)計163.3曲面造型技巧193.4小結(jié)20第4章 基于procast的進(jìn)氣風(fēng)罩充型凝固過程的數(shù)值模擬及仿真214.1 procast軟件介紹214.1.1軟件模塊224.1.2模擬過程224.1.3應(yīng)用范圍234.2充型凝固過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型234.3充型及凝固過程數(shù)值模擬流程244.4網(wǎng)格的劃分244.4.1面網(wǎng)格的劃分244.4.2體網(wǎng)格的劃

14、分274.5充型凝固過程模擬的前處理294.5.1充型凝固過程工藝參數(shù)294.5.2充型凝固過程數(shù)值模擬前處理操作304.6求解計算324.7觀測模擬結(jié)果33結(jié)論35參 考 文 獻(xiàn)36致謝39外文科技資料翻譯40英文原文40中文譯文50第1章 緒論1.1課題研究背景進(jìn)氣風(fēng)罩是鉚接在飛機(jī)蒙皮外部的部件，在飛機(jī)飛行過程中，通過流經(jīng)其進(jìn)氣風(fēng)道的高速氣流來冷卻發(fā)動機(jī)外殼。由于該部件在工作時需經(jīng)受高速氣流沖擊，其外形必須符合飛機(jī)的氣動性能要求，因此，它既是一個結(jié)構(gòu)件，又是一個受力件，對綜合機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求較高，其制造質(zhì)量對飛機(jī)的氣動性能有一定的影響。進(jìn)氣風(fēng)罩壁厚一般為1.12.0mm，形狀較復(fù)雜。

15、傳統(tǒng)的進(jìn)氣風(fēng)罩用鋁合金鈑金件分塊組合焊接而成，工序繁瑣，生產(chǎn)周期長，成本較高，焊接技術(shù)難度大，焊接質(zhì)量難以保證，在飛行過程中焊接部位經(jīng)常被吹裂，產(chǎn)品使用壽命短；而且由于該部件鉚接在飛機(jī)的一個較特殊部位，拆卸和更換十分不便。為了提高進(jìn)氣風(fēng)罩的使用壽命，降低生產(chǎn)難度，解決生產(chǎn)中因分塊組合焊接而帶來的質(zhì)量隱患，決定試用高強(qiáng)度鋁合金zl101a材料和石膏型熔模精密鑄造特種工藝整體制作的方法。相比于焊接工藝，鑄造生產(chǎn)技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境污染少的特點。在當(dāng)今，工業(yè)發(fā)達(dá)的國家鑄造生產(chǎn)已實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、智能化(計算機(jī)控制、機(jī)器人操作)，而我國作為一個具有悠久歷史的鑄造大國，其近代鑄造生產(chǎn)技

16、術(shù)卻長期處于落后狀態(tài)，特別是形狀復(fù)雜的大型鑄件的流動規(guī)律和最終凝固位置都是較難把握的問題之一。隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，鑄造cae技術(shù)(鑄件充型和凝固過程計算機(jī)仿真模擬分析)漸漸普及深入，傳統(tǒng)的鑄造業(yè)正在從憑借經(jīng)驗生產(chǎn)轉(zhuǎn)為在理論指導(dǎo)下的科學(xué)生產(chǎn)，從而解決和改善了這一問題。1.2新型進(jìn)氣風(fēng)罩的研究現(xiàn)狀由于傳統(tǒng)的飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩由鋁合金鈑金件分塊組合焊接而成，焊接質(zhì)量難以保證，在飛行的過程中焊接部位容易被吹烈，產(chǎn)品使用壽命短。為了解決傳統(tǒng)進(jìn)氣風(fēng)罩生產(chǎn)中因分塊組合焊接而帶來的質(zhì)量隱患，近幾年對飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩新型生產(chǎn)方式的研究也越來越多。四川大學(xué)制造學(xué)院的張永紅、鄭忠俊，成都飛機(jī)設(shè)計

17、研究所的李顯東，成飛集團(tuán)三航公司的王和凱、曹雨波，成都興光機(jī)械廠的劉月其在新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的整體制造方面提出了新的工藝方法，即用高強(qiáng)度鋁合金zl101a材料和石膏型熔模精密鑄造特種工藝整體制作的方法。他們還利用美國ptc公司開發(fā)的pro/engineer(簡稱pro/e)三維cad建模軟件，根據(jù)進(jìn)氣風(fēng)罩的二維設(shè)計圖紙資料將其建構(gòu)成三維零件模型，再利用pro/e軟件的model analysis功能對兩個進(jìn)氣風(fēng)道工作橫截面面積進(jìn)行計算分析，驗證風(fēng)道氣流量是否滿足設(shè)計要求。進(jìn)氣風(fēng)罩三維零件造型經(jīng)修改、完善，符合設(shè)計要求后，利用pro/e進(jìn)行分模，確定總收縮率，然后創(chuàng)建型腔，最后用mold comp

18、 extract功能生成實體。為了得到尺寸精確度高、表面光潔度好的進(jìn)氣風(fēng)罩鑄件，要嚴(yán)格控制以下幾方面的生產(chǎn)工藝過程：蠟?zāi)ＤＡ?、造型材料、澆注系統(tǒng)的設(shè)計、灌漿、焙燒工藝、熔煉與澆注、熱處理工藝。最后，經(jīng)過查表和計算，確定鑄造工藝方案，包括分型面的選定、澆注位置的確定、補(bǔ)縮區(qū)域的劃分和冒口的排放、澆注系統(tǒng)的設(shè)置、砂芯的設(shè)置等。還可以利用工程圖形軟件系統(tǒng)中所具備的功能進(jìn)行鑄件的結(jié)構(gòu)分解、截面圖的觀察，考察鑄件的起模情況和是否鉤砂，必要時可對所分解的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行重量計算，以作為工藝方案設(shè)計的依據(jù)。1.3鑄造充型凝固過程數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀鑄造過程計算機(jī)模擬是近幾十年迅速發(fā)展起來的現(xiàn)代鑄造工藝研究方法。鑄造

19、過程計算機(jī)建模與仿真(鑄造cae)是信息科學(xué)、材料科學(xué)、工程力學(xué)及計算機(jī)圖形學(xué)等各種學(xué)科的交叉，是國際公認(rèn)的先進(jìn)制造科學(xué)的重要前沿領(lǐng)域，是當(dāng)今世界各國專家學(xué)者關(guān)注的熱點。這種方法通過對鑄件進(jìn)行計算機(jī)試澆及工藝分析, 能較快的發(fā)現(xiàn)決定鑄件質(zhì)量的內(nèi)部因素,對可能出現(xiàn)的各種鑄造缺陷提出預(yù)報，對不同的工藝方案進(jìn)行比較，在實際生產(chǎn)前采取有效的工藝措施避免缺陷的產(chǎn)生，同時，還可在工藝實施前優(yōu)化或驗證所采用的鑄造工藝參數(shù)，這對于指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計、提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。目前我國國內(nèi)鑄造數(shù)值模擬技術(shù)已有了很大進(jìn)展。我國于20世紀(jì)70年代末開始，大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所在這一方面就做了開拓性的工作。197

20、8年，在葛洲壩電站125mw水輪機(jī)葉片的鑄造工藝研究中，沈陽鑄造研究所的張毅、王君卿等人開展了鑄件凝固過程溫度場的計算機(jī)模擬的研究。與此同時，大連工學(xué)院的金俊澤等人對大型船用鋼螺旋槳的凝固過程溫度場進(jìn)行了模擬分析，并分別于1980年發(fā)表了研究報告，此后在我國高等院校如哈爾濱理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華中工學(xué)院都先后等單位投入大量人力開展了溫度場模擬的研究。從1982年開始，大連工學(xué)院的鄭賢淑、金俊澤等人開始了鑄造應(yīng)力的數(shù)值模擬的研究，他們采用熱彈塑性力學(xué)模型對大型鑄件(大型雙幅板齒輪、鑄鋼軋輥、鋼錠模) 的鑄造及熱處理應(yīng)力進(jìn)行了模擬。此后，西安交通大學(xué)、清

21、華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海工業(yè)大學(xué)等也都開展了應(yīng)力場的模擬分析工作。可以看出，國內(nèi)鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)起步雖然較晚，但進(jìn)步非常快，取得了一系列令人鼓舞的研究成果。中國各級政府對鑄造數(shù)值模擬研究也給予了充分的重視和大力的資助?！傲濉薄ⅰ捌呶濉逼陂g，鑄造凝固進(jìn)程的數(shù)值模擬研究都被列為國家的重點科技攻關(guān)計劃(“六五”的項目為“大型鑄鋼件凝固控制”、“七五”項目為“大型鑄鋼件鑄造工藝cad，國內(nèi)多家大專院校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)密切合作，組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，推動了鑄造數(shù)值模擬技術(shù)研究的不斷深入。應(yīng)當(dāng)指出的是，一些研究成果雖然投入了初步的使用，但因計算機(jī)軟、硬件以及其它相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，這一

22、期間，國內(nèi)還沒有真正出現(xiàn)實用化、商品化的模擬軟件系統(tǒng)。而實際上，世界范圍內(nèi)第一個鑄造模擬商品化軟件也只是在20世紀(jì)80年代末期(1989年)才問世。但是，50年代國內(nèi)鑄造過程數(shù)值模擬研究，在全國范圍內(nèi)掀起了一個高潮，是當(dāng)時鑄造領(lǐng)域計算機(jī)研究的熱點。目前清華大學(xué)、華中理工大學(xué)己分別能提供fr-star和華鑄cae-intecast商品化軟件，獲得了良好的效果。1.3.1鑄造充型過程數(shù)值模擬的發(fā)展鑄件充型過程的數(shù)值模擬是建立在計算流體力學(xué)領(lǐng)域的研究結(jié)果的基礎(chǔ)上的工程應(yīng)用。在計算流體力學(xué)領(lǐng)域，能夠計算帶有自由表面的不可壓縮流體的非穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)值方法產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代。1983年，wshwang和

23、ra stoehr首先成功地運用mac技術(shù)，模擬了兩個簡單形狀鑄件的二維充型流動過程，清楚地顯示了充型過程中金屬液流動的自由表面和各處的速度分布。該研究展示了數(shù)值模擬在鑄件成型過程中的巨大作用，從此，鑄件充型過程的數(shù)值模擬技術(shù)研究得以廣泛的開展。1984年，pvdesai研究了強(qiáng)制對流對內(nèi)澆道溫度的影響，采用渦函數(shù)的方法計算了弱對流對溫度場的影響。這是鑄件充型過程數(shù)值模擬中首次將金屬液的流動與傳熱耦合起來。鑄件充型過程的數(shù)值模擬技術(shù)始于20世紀(jì)80年代初，以計算流體力學(xué)的理論方法為基礎(chǔ)。從二維的簡單形狀開始，到目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)三維復(fù)雜形狀鑄件的充型過程的流動與傳熱的耦合模擬，并且在數(shù)值方法上做

24、出了很多的改進(jìn)，使計算速度得到明顯的提高，已在實際工程中得到較多的應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計算流體力學(xué)的廣泛應(yīng)用以及流體運動模擬技術(shù)的提高，國內(nèi)外的許多研究人員對充型過程數(shù)值模擬技術(shù)非常重視。從20世紀(jì)80年代開始，在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，在數(shù)學(xué)模型的建立、算法的實現(xiàn)、計算效率的提高以及工程實用化方面均取得了很大的進(jìn)展。充型過程的數(shù)值模擬始于20世紀(jì)80年代初，中國臺灣學(xué)者黃文星在美國匹茲堡大學(xué)與ra stoehr教授首先開展了這方面的研究。1983年stoehr教授及其學(xué)生黃文新率先模擬了充型流動過程。1985年stoehr教授采用smac的方法模擬了滑輪的充型過程，其模擬結(jié)果與丹麥i

25、ngeslive采用高速攝影的結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明模擬與實驗吻合良好。1987年之前是充型過程數(shù)值模擬的初始發(fā)展階段，模擬基本上限于二維板類鑄件，并假設(shè)充型過程液態(tài)金屬處于層流流動。這些模擬技術(shù)尚不能指導(dǎo)大多數(shù)實際鑄件的工藝設(shè)計，但奠定了充型過程計算機(jī)模擬的基礎(chǔ)。1988年以后，充型過程的計算機(jī)模擬進(jìn)入到蓬勃發(fā)展階段，模擬技術(shù)不斷完善。美國的shea chen等改進(jìn)了二維的smac算法，使其在流體流動計算結(jié)果的對稱性及流股交匯面的處理上有較大發(fā)展。在美國圣地亞哥召開的第八屆鑄造、焊接和凝固過程模擬會議上，日本大阪大學(xué)的jd zhu等對充型過程直接差分法計算所用幾何信息的處理方法和壓力迭代方法

26、進(jìn)行了改進(jìn)，大大節(jié)省了直接差分法的運算時間。在第六屆環(huán)太平洋國家鑄造和凝固過程模擬國際會議上，柳百成院士描述了帶有電磁制動的連鑄模中流體流動的數(shù)學(xué)模型，該模型用有限差分法和simpler算法求解。國內(nèi)在充型過程數(shù)值模擬方面起步相對較晚，但進(jìn)展很快。1987年，沈陽鑄造研究所的王君卿在丹麥技術(shù)大學(xué)模擬了灰鑄鐵三通管的充型過程，并同時計算了充型過程的溫度場(流動與傳熱的耦合)。清華大學(xué)柳百成、裴清祥等人在20世紀(jì)80年代后期，在流動場數(shù)值模擬方面開展了卓有成效的工作。孫遜、王君卿對充填與傳熱過程數(shù)值模擬在球墨鑄鐵鑄造工藝設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。清華大學(xué)的荊濤、柳百成用sola-vof法對充型過程進(jìn)

27、行了模擬，并研究了充型過程對澆注完成后鑄型內(nèi)初始溫度場的影響。華中理工大學(xué)的袁浩揚等以so-la-vof法為基礎(chǔ)，結(jié)合他們提出的三維自由表面邊界速度確定方法，實現(xiàn)了鑄造充型流動過程的三維數(shù)值模擬。西安交通大學(xué)的麻向軍等通過對確定自由表面流率的van leer格式進(jìn)行修正，解決了氣液界面的界面模糊問題，應(yīng)用守恒標(biāo)量法進(jìn)行了充型過程的三維數(shù)值模擬。國內(nèi)先后在數(shù)值方法的研究、自由表面的跟蹤判定、充型過程的水模擬實驗、實際鑄件的充型模擬等方面展開了大量的研究，取得了較大的成果。與溫度場數(shù)值模擬相比較，由于流場涉及自由表面、流動中的速度和壓力以及紊流等更多方面的問題，尤其求解壓力場是最消耗時間的，在實際

28、應(yīng)用中，往往難以滿足工藝分析人員的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就變成了一個非常重要的問題。在此領(lǐng)域，己經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，在數(shù)學(xué)模型的建立、算法的時限、計算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充型過程數(shù)值模擬的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入工程實用化階段。 1.3.2鑄造凝固過程數(shù)值模擬的發(fā)展鑄造凝固過程的模擬仿真可以幫助工程技術(shù)人員科學(xué)預(yù)測液體金屬充型過程、凝固過程中的溫度場和應(yīng)力場，以及宏觀缺陷和微觀組織等，從而能夠?qū)﹁T造過程所涉及的設(shè)備參數(shù)、工藝方案等做出最優(yōu)的決定，達(dá)到優(yōu)化工藝設(shè)計、確保零部件質(zhì)量，縮短產(chǎn)品試制周期、降低生產(chǎn)成本、提高鑄造生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)品的競爭能力的目的。鑄件凝固過

29、程數(shù)值模擬開始于20世紀(jì)60年代，丹麥人k.forsund最早采用有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計算。而第一次成功的應(yīng)用則屬于三年后美國專家g j henzel和g j keverian對汽輪機(jī)內(nèi)缸體鑄件進(jìn)行的數(shù)值計算，其溫度場的計算結(jié)果與實測值相當(dāng)接近。他們的成功使研究者意識到用計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件的凝固過程的巨大潛力和廣闊的前景，由此開辟了鑄件凝固過程數(shù)值模擬的先河。20世紀(jì)80年代是數(shù)值模擬研究最為活躍的時期，1988年5月在美國佛羅里達(dá)州召開的第4屆鑄造和焊接的計算機(jī)數(shù)值模擬的會議上，有10家單位參加了會議組織的模擬斧錘型鑄件的凝固過程熱場比賽。會議要求參賽者按照同一圖紙各自進(jìn)

30、行溫度場計算，并按照一定格式繪出指定測點的冷卻曲線，在會場上與實測曲線進(jìn)行比較。參加比賽的有：德國的p.r.sahm教授，丹麥的p.d.hansen，日本的大中逸雄和新山英輔教授，美國通用機(jī)械公司，芬蘭技術(shù)研究中心等。從參賽者的模擬結(jié)果看，基本與實測接近，誤差在20以內(nèi)?？梢钥闯?，凝固過程溫度場模擬已達(dá)到較高水平，知名大學(xué)和公司都有相應(yīng)的模擬軟件，如德國的magmasoft，美國的procast，日本的solan，丹麥的geomesh等，模擬結(jié)果接近實測。有的幾乎與實測完全吻合，如日本新山英輔的模擬結(jié)果吻合相當(dāng)好，反映了溫度場的計算己較為成熟。20世紀(jì)80年代代表性的研究工作還包括：1984年

31、p.r.sahm和p.n.hasen及其合作者在德國所做工作，1984年j.t.berry和j.a.m.boulet在美國所做工作，以及1987年日本的i.o hnaka日及其同事的研究工作。鑄造凝固過程的計算機(jī)模擬經(jīng)過大約40年的發(fā)展，在鑄造過程的溫度場數(shù)值模擬及縮孔縮松預(yù)測、充型過程模擬、應(yīng)力分析、微觀組織預(yù)測等方面的關(guān)鍵技術(shù)研究及實用化進(jìn)程方面都取得了突破性進(jìn)展，己經(jīng)進(jìn)入工程實用化階段，鑄造生產(chǎn)正從只憑經(jīng)驗走向科學(xué)理論指導(dǎo)階段，通過數(shù)值模擬和物理模擬相結(jié)合的方法，可實現(xiàn)計算機(jī)試生產(chǎn)、動態(tài)顯示工藝歷程、預(yù)測缺陷和優(yōu)化工藝。主要體現(xiàn)了以下特點：(1) 宏觀模擬成熟化：大量的商品化軟件的出現(xiàn)及

32、其在實際生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，說明了宏觀場量模擬已逐步完善，如溫度場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場等，到目前為止，典型的商品化軟件有ansys、ls-dyn3d、procast、viewcast等；(2) 組織模擬成為研究熱點：目前主要有以下方法模擬組織演變過程：(a) 采用相場方法或界面追蹤方法模擬枝晶形態(tài)演變；(b)使用平均值法模擬加工過程中構(gòu)件不同區(qū)域的晶粒度；(c) 使用ca法模擬晶體形核生長動力學(xué)過程；(d) 多尺度模擬主要在學(xué)術(shù)方面上開展研究，凝固模擬的尺度現(xiàn)已從枝晶層次擴(kuò)展到宏觀鑄件。如今，國內(nèi)外均有商品化軟件或提供網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)服務(wù)。我國在這一領(lǐng)域得到了國家領(lǐng)域的資助，在國際鑄造界已占有一席之地。

33、1.4本文研究的主要內(nèi)容及意義本文結(jié)合工藝設(shè)計、數(shù)值模擬和實際試驗的結(jié)果，將cad/cae技術(shù)應(yīng)用于大型復(fù)雜鑄件的制備過程以解決工程實際問題。主要研究內(nèi)容為先利用pro/e軟件建立進(jìn)氣風(fēng)罩的數(shù)學(xué)模型，而后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分和各種參數(shù)的設(shè)定，借助于procast軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到鑄件的填充過程、凝固過程的溫度場、應(yīng)力場、流場的情況，查看熱節(jié)、縮孔、縮松、夾渣等缺陷的生成分布情況，最后判斷工藝是否合理，是則投入生產(chǎn)，否則進(jìn)行工藝優(yōu)化。本文結(jié)合石膏型熔模，將工藝設(shè)計和凝固模擬更好的結(jié)合起來，在合理的工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行模型凝固，以減少工藝的修改次數(shù)。通過對新型進(jìn)氣風(fēng)罩的凝固充型過程的數(shù)值模擬，可

34、幫助人們更清楚地了解進(jìn)氣風(fēng)罩鑄件凝固充型過程中金屬液的運動狀態(tài)及溫度場的分布，利用高性能計算機(jī)對鑄造全過程進(jìn)行模擬仿真，在實際生產(chǎn)之前驗證或優(yōu)化所采用的鑄造工藝參數(shù)，克服了鑄造業(yè)長期存在的試制周期長、鑄件成本高、質(zhì)量難以控制等缺點，對鑄造結(jié)果和缺陷基本可以做到“未鑄先知”和“防患于未然”。本課題從新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩鑄件著手，以解決實際問題為目的，通過工藝設(shè)計的理論計算、數(shù)值模擬和實際的實驗結(jié)果相結(jié)合，來完成產(chǎn)品的開發(fā)和質(zhì)量改進(jìn)，以達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，對企業(yè)有極高的實用價值，可實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、少或無缺陷的進(jìn)氣風(fēng)罩的鑄造生產(chǎn)，基于該研究還可對其精密鑄造工藝進(jìn)行

35、優(yōu)化設(shè)計。第2章 新型進(jìn)氣風(fēng)罩鑄造工藝設(shè)計進(jìn)氣風(fēng)罩是鉚接在飛機(jī)蒙皮外部的部件，在飛機(jī)飛行過程中，通過流經(jīng)其進(jìn)氣風(fēng)道的高速氣流來冷卻發(fā)動機(jī)外殼。由于該部件在工作時需經(jīng)受高速氣流沖擊，因此，傳統(tǒng)的用鋁合金鈑金分塊組合焊接而成的進(jìn)氣風(fēng)罩在飛行過程中經(jīng)常吹裂，使用壽命變短。為了提高進(jìn)氣風(fēng)罩的使用壽命，降低生產(chǎn)難度，解決生產(chǎn)中因分塊組合焊接而帶來的質(zhì)量隱患，本課題決定試用高強(qiáng)度鋁合金zl101a材料和石膏型熔模精密鑄造特種工藝整體制作的方法。圖2.1為新型進(jìn)氣風(fēng)罩截面圖。圖2.1 新型進(jìn)氣風(fēng)罩截面圖2.1石膏型熔模精密鑄造的特點石膏型熔模精密鑄造生產(chǎn)工藝已用于航天、航空、電子、光學(xué)、兵器、儀器儀表、藝術(shù)

36、品等行業(yè)的生產(chǎn)中，可以生產(chǎn)出尺寸精度高、表面光潔度好、用其他方法難以成形的復(fù)雜、薄壁、異形、整體、無余量的產(chǎn)品，這種工藝方法將普通熔模鑄造法和普通石膏法的優(yōu)點結(jié)合在一起，其獨到之處表現(xiàn)在：(1) 石膏漿料流動性和復(fù)制性良好，石膏導(dǎo)熱率低，有利于金屬液充填，鑄件壁厚最小可達(dá)到0.5mm；(2) 鑄件尺寸穩(wěn)定，精度高，可達(dá)0.002mm；表面粗糙度一般可達(dá)ra 0.83.2m；(3) 鑄件在真空下澆注，加壓狀態(tài)下結(jié)晶凝固，組織致密，綜合機(jī)械性能良好；(4) 鑄件成品率高，可達(dá)90%以上；(5) 石膏鑄型殘余強(qiáng)度低，潰散性良好，利于鑄件清理。2.2模具制造過程利用美國ptc公司開發(fā)的pro/engi

37、neer(簡稱pro/e)三維cad建模軟件，根據(jù)進(jìn)氣風(fēng)罩的二維設(shè)計圖紙資料將其建構(gòu)成三維零件模型。再利用pro/e軟件的modelanalysis功能對兩個進(jìn)氣風(fēng)道工作橫截面面積進(jìn)行計算分析，驗證風(fēng)道氣流量是否滿足設(shè)計要求。進(jìn)氣風(fēng)罩三維零件造型經(jīng)修改、完善，符合設(shè)計要求后，利用pro/e進(jìn)行分模，確定總收縮率，然后創(chuàng)建型腔。型腔被分割成如下幾部分：(1) 形成外形結(jié)構(gòu)的主型模具型腔被分割成3部分；(2) 形成進(jìn)氣風(fēng)道結(jié)構(gòu)的芯模型腔被分割成兩部分；(3) 3個減重腔的形狀各由1個抽芯結(jié)構(gòu)形成，其中的1個抽芯被分割成3塊。最后用mold compextract功能生成實體。模具設(shè)計完成后，利用m

38、oldcreate功能模擬蠟料壓型過程，產(chǎn)生一個蠟件，然后進(jìn)行分析，以檢測模具設(shè)計是否正確。將設(shè)計好的模型數(shù)據(jù)資料通過局域網(wǎng)送到加工中心進(jìn)行數(shù)控切削加工和電火花加工。2.3生產(chǎn)工藝控制過程為了得到尺寸精確度高、表面光潔度好的進(jìn)氣風(fēng)罩鑄件，需要嚴(yán)格控制下述幾方面的生產(chǎn)工藝過程。2.3.1蠟?zāi)ＤＡ蠅褐七M(jìn)氣風(fēng)罩蠟?zāi)ＤＡ系闹笜?biāo)應(yīng)滿足如下要求：(1) 熔點低，低于56；(2) 線膨脹收縮率低；(3) 熱穩(wěn)定性好；(4) 粘度低；(5) 強(qiáng)度高。風(fēng)罩的2個進(jìn)氣風(fēng)道通過2個芯模壓制出水溶性型芯，準(zhǔn)確定位放置在主型模中經(jīng)過壓型，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劑配制而成

39、，其強(qiáng)度高，脫模性好，表面光潔度好。2.3.2 造型材料鑄型材料選用蒸汽水煮法生產(chǎn)出的高強(qiáng)度短柱狀半水石膏與國內(nèi)常用的耐火材料(石英、鋁礬土、煤矸石、硅藻土等)混合配制而成。2.3.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計在設(shè)計澆注系統(tǒng)時，應(yīng)考慮諸多會影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素：在鑄型焙燒過程中，蠟料熔化造成體積膨脹，這會擠壓懸空著的石膏型芯，此時石膏芯的濕強(qiáng)度不很高，易導(dǎo)致其斷裂；蠟失掉后，形成進(jìn)氣風(fēng)道部分的兩個石膏型芯中間懸空，僅靠兩端與四周鑄型相連接以支撐其重量，石膏型芯受到兩端型壁失水收縮時的擠壓，容易造成型芯的中間部位被擠裂；在鑄型澆注搬運過程中，可能產(chǎn)生的振動容易導(dǎo)致型芯斷裂；此外，鑄件尺寸大，壁較薄，熱節(jié)處較

40、多，鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、變形或裂紋等缺陷。所以，澆注系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)針對上述可能出現(xiàn)的問題采取預(yù)防措施加以解決。將設(shè)計的澆注系統(tǒng)通過pro/e的moldcreat功能模擬鋁合金液澆注充型過程而產(chǎn)生模擬鑄件，再通過分析來查驗澆注系統(tǒng)設(shè)計是否合理。2.3.4 灌漿灌漿過程中需嚴(yán)格控制水膏比、水溫及水質(zhì)。水量應(yīng)控制在鑄型材料總重量的28%32%范圍內(nèi)，水量過多會降低鑄型的強(qiáng)度，過多殘留水還造成鑄型表層剝離、脫層或產(chǎn)生水紋，影響鑄件表面光潔度；水量過少則會導(dǎo)致漿料粘度過大，流動性差，鑄件成型不好，氣體難于上浮、排出，鑄型焙燒時易開裂。水溫對漿料凝固時間有很大影響，會影響漿料的流動性。據(jù)文獻(xiàn)介紹，水質(zhì)對

41、石膏性能有影響，水質(zhì)較硬時，水中ca2+、mg2+離子能導(dǎo)致晶格網(wǎng)絡(luò)不完整，使強(qiáng)度降低，導(dǎo)致鑄型型腔壁脫落，并使鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷，故使用的自來水需經(jīng)軟化處理。灌漿應(yīng)在相對真空度為0.70.9kpa條件下進(jìn)行，以便消除漿料中的氣泡。2.3.5 焙燒工藝灌漿完畢后的石膏由于有一定的強(qiáng)度回復(fù)期，鑄型需在空氣中放置20h左右，以獲得較高的鑄型濕強(qiáng)度。脫蠟方式采用直接在焙燒爐中低溫脫蠟。焙燒過程采用階段性升溫的焙燒工藝。2.3.6 熔煉與澆注生產(chǎn)進(jìn)氣風(fēng)罩鑄件所選用的材質(zhì)為高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鋁合金zl101at6，為防止合金中fe、zn等有害雜質(zhì)元素超標(biāo)，在配料過程中采用高純al、結(jié)晶si、高純mg及al-ti中

42、間合金等原材料配制。熔煉設(shè)備使用石墨坩堝電阻爐。熔煉過程中需嚴(yán)格實施精煉與變質(zhì)處理工藝。為獲得滿意的鑄件質(zhì)量，采用的裝置實現(xiàn)真空澆注、加壓凝固。澆注過程中應(yīng)注意控制好鑄型型腔工作溫度和金屬液澆注溫度兩個工藝參數(shù)。澆注完畢后施以0.40.8mpa的氣壓，利用金屬液進(jìn)行二次充型、補(bǔ)縮。加壓時間需持續(xù)到合金液凝固，如果合金液未凝固就撤去壓力，澆口杯金屬液會反冒，影響鑄件組織的致密性。2.3.7 熱處理鑄件需進(jìn)行固溶處理加完全人工時效（t6）才能發(fā)揮其優(yōu)異的綜合機(jī)械性能。熱處理時采用單鑄試棒（60.1）mm與鑄件隨爐進(jìn)行處理。由于該鑄件壁很薄，熱處理時易產(chǎn)生變形，尤其是進(jìn)氣風(fēng)罩的貼合面部位極易變形，所

43、以需要用校正夾具等工裝來防止其產(chǎn)生變形。熱處理完畢后的鑄件經(jīng)整形、噴砂。2.4小結(jié)經(jīng)過查表和計算，確定了新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩的鑄造成型工藝方案，包括分型面的選定、澆注位置的確定、補(bǔ)縮區(qū)域的劃分和冒口的排放、澆注系統(tǒng)的設(shè)置、砂芯的設(shè)置等?？梢岳霉こ虉D形軟件系統(tǒng)中所具備的功能進(jìn)行鑄件的結(jié)構(gòu)分解、截面圖的觀察，考察鑄件的起模情況和是否鉤砂，必要時可對所分解的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行重量計算，以作為工藝方案設(shè)計的依據(jù)。本課題采用虛擬模具對模擬過程進(jìn)行簡化操作。第3章 基于pro/e的新型飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩幾何造型和數(shù)學(xué)建模3.1pro/e軟件介紹pro/engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（ptc）旗下的cad/ca

44、m/cae一體化的三維軟件。pro/engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，pro/engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械cad/cae/cam領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的cad/cam/cae軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。pro/e第一個提出參數(shù)化設(shè)計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有的模塊。pro/e的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設(shè)計。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)

45、上。pro/e采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計、鈑金設(shè)計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。1、參數(shù)化設(shè)計相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。2、基于特征建模pro/e是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，我們可以隨意勾畫彩圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。3、單一數(shù)據(jù)庫（全相關(guān)）pro/engineer是建立

46、在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)cad/cam系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一的數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，nc（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也工程設(shè)計的完美結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好的推向市場，價格也更便宜。pro/e軟件于1988年推出以來，憑借其強(qiáng)大的功能，已成為最普及3

47、d cad/cam系統(tǒng)。pro/e軟件中，最為常用且也是最為強(qiáng)大的是造型功能。造型功能可大體分為實體造型和曲面造型兩種。pro/e中的曲面功能非常強(qiáng)大，一些復(fù)雜的曲面，往往不能通過實體造型得到，此時就要使用曲面造型功能。因此，掌握曲面造型功能，是解決機(jī)械設(shè)計中復(fù)雜圖形及模具曲面造型的關(guān)鍵。3.2進(jìn)氣風(fēng)罩的pro/e曲面造型設(shè)計經(jīng)多次嘗試，若使用實體造型功能，用掃描和混合等功能都很難得到圖中的兩條管路和外徑。而使用曲面造型功能，先生成曲面，再由曲面生成實體，則會很容易生成進(jìn)氣風(fēng)罩的幾何造型。利用pro/e對零件整體采用曲面的特征來建立模型，在建立曲面的過程中，需要畫出封閉的面組，然后對這些面組進(jìn)

48、行實體化。從產(chǎn)品圖上看，可以知道模型有對稱性，因此可以畫出一半的實體，然后鏡像組合完成整個實體的建模。圖3.1為新型進(jìn)氣風(fēng)罩實體圖。圖3.1 新型進(jìn)氣風(fēng)罩實體此進(jìn)氣風(fēng)罩實際采用的整體造型思路為：使用曲面功能繪制該造型的每個面，再合并所有的曲面生成一個封閉曲面，最后用實體化功能將上述封閉曲面生成實體。沒形成封閉曲面的部分通過加厚命令來生成實體。當(dāng)實體完全生成后鏡像所有實體，最終得到進(jìn)氣風(fēng)罩的整體造型。圖3.23.8為飛機(jī)進(jìn)氣風(fēng)罩造型步驟。圖3.2 曲面造型1圖3.3 曲面造型2圖3.4 曲面造型3圖3.5 曲面造型4圖3.6 曲面造型5圖3.7 實體化圖3.8 鏡像為進(jìn)氣風(fēng)罩總體造型3.3曲面造

49、型技巧按照曲面的復(fù)雜程度，常用的曲面生成方法有以下兩種：（1）簡單的平面。簡單的平面就可以通過拉伸命令拉伸出一個平面，然后再進(jìn)行裁剪從而得到所需平面；（2）較復(fù)雜的曲面。較復(fù)雜的曲面一般要先畫出生成曲面所需的各條曲線，再用邊界混合命令生成所要求的曲面。在建模過程中，通常還要注意：1、建模過程中除了要先建立三個默認(rèn)的基準(zhǔn)面外，還要適當(dāng)使用臨時基準(zhǔn)面。因為建立臨時基準(zhǔn)面所用的參數(shù)變?yōu)樘卣鞯膮?shù)，在特征的修改和刪除時能避免不必要的父子關(guān)系，簡化操作。2、利用曲面生成實體可用實體化和加厚這兩個功能來完成。前者可將封閉曲面生成實體，后者可以將非封閉的曲面生成薄板實體。3、曲面模型都是由單一曲面集成的完整

50、、且曲面間沒有間隙。曲面模型的最終建成，沒有間隙這個因素占了很大的成分。所以在建模的過程中，要特別注意這方面問題。當(dāng)曲面模型因為某種原因無法生成的時候，要首先考慮這個因素。另外，曲面在集成的過程中，單一曲面的集成方向也尤為重要，它常常會影響到曲面模型的最終建成。4、實際建模中，對模型進(jìn)行分析，選擇正確的建模方法十分重要?！包c線面”是幾何構(gòu)造的基本概念，在建模設(shè)計中，時常利用此概念作為建模思路，可有效、正確、快速的得到結(jié)果。3.4小結(jié)曲線、曲面的使用在曲面造型設(shè)計中相當(dāng)重要。曲線用來定義重要的外形邊界，圍成所要的曲面，是個不同的外形的曲面可合并為單一的曲面，利用曲面經(jīng)過實體化可生成所需實體。通過

51、邊界混合、拉伸、修剪、合并等高級曲面特征的強(qiáng)大功能，使我們能創(chuàng)建任意復(fù)雜的曲面模型，獲得滿意的結(jié)果。第4章 基于procast的進(jìn)氣風(fēng)罩充型凝固過程的數(shù)值模擬及仿真4.1 procast軟件介紹procast軟件是由美國use公司開發(fā)的鑄造過程的數(shù)值模擬軟件，采用基于有限元（fem）的數(shù)值計算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場和電磁場進(jìn)行模擬分析。在整個制造業(yè)，鑄造過程模擬現(xiàn)在已作為一個重要的產(chǎn)品設(shè)計和過程開發(fā)的工具，來提高產(chǎn)量和鑄造質(zhì)量。procast是業(yè)界領(lǐng)先的鑄造過程模擬軟件，基于強(qiáng)大有限元求解器和高級選項，提供高效和準(zhǔn)確的求解來滿足鑄造業(yè)的需求。與傳統(tǒng)

52、的嘗試出錯修改方法相比，procast是減少制造成本，縮短模具開發(fā)交貨時間和改善鑄造過程質(zhì)量的重要完美解決方案。procast是為評價和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品與鑄造工藝而開發(fā)的專業(yè)cae系統(tǒng)。借助于procast系統(tǒng)，采用基于有限元(fem)的數(shù)值計算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場、電磁場進(jìn)行模擬分析。因此，鑄造工程師在完成鑄造工藝編制之前，就能夠?qū)﹁T件在形成過程中的流場、溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行仿真分析并預(yù)測鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化鑄造設(shè)備參數(shù)和工藝方案。procast可以模擬金屬鑄造過程中的流動過程，精確顯示充填不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置以及殘余應(yīng)力與變形，準(zhǔn)確地預(yù)測縮孔、

53、縮松和鑄造過程中微觀組織的變化。作為esi集團(tuán)熱物理綜合解決方案的旗艦產(chǎn)品，procast是所有鑄造模擬軟件中現(xiàn)代cad/cae集成化程度最高的。它率先在商用化軟件中使用了最先進(jìn)的有限元技術(shù)并配備了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口和自動網(wǎng)格劃分工具。全部模塊化設(shè)計適合任何鑄造過程的模擬；采用有限元技術(shù)，是目前唯一能對鑄造凝固過程進(jìn)行熱流動應(yīng)力完全耦合的鑄造模擬軟件。procast可以用來模擬任何合金，從鋼和鐵到鋁基、鈷基、銅基、鎂基、鎳基、鈦基和鋅基合金，以及非傳統(tǒng)合金和聚合體。esi旗下的熱物理仿真研究開發(fā)隊伍匯集了全球頂尖的五十多位冶金、鑄造、物理、數(shù)學(xué)、計算力學(xué)、流體力學(xué)和計算機(jī)等多學(xué)科的專家，專業(yè)從

54、事procast和相關(guān)熱物理模擬產(chǎn)品的開發(fā)。得益于長期的聯(lián)合研究和工業(yè)驗證，使得通過工業(yè)驗證的材料數(shù)據(jù)庫不斷地擴(kuò)充和更新，同時，用戶本身也可以自行更新和擴(kuò)展材料數(shù)據(jù)。除了基本的材料數(shù)據(jù)庫外，procast還擁有基本合金系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。這個獨特的數(shù)據(jù)庫使得用戶可以直接輸入化學(xué)成分，從而自動產(chǎn)生諸如液相線溫度、固相線溫度、潛熱、比熱和固相率的變化等熱力學(xué)參數(shù)。procast提供了能夠預(yù)測評估整個鑄造過程的完整軟件解決方案，包括模型填注，凝固，微觀構(gòu)造和熱力的模擬。能夠快速可視化鑄型設(shè)計的影響，使得制造過程的早期能夠做出正確的決策。4.1.1軟件模塊procast是針對鑄造過程進(jìn)行流動傳熱應(yīng)力耦

55、合做出分析的系統(tǒng)，是由完整的模塊軟件解決方案提供眾多的模塊和工程工具來滿足鑄造業(yè)最復(fù)雜的要求，在過程的每個階段選擇每個特定的模塊。該軟件包括8個模塊：1、基本模塊base module：基本模塊包括溫度場、凝固、材料數(shù)據(jù)庫及前后處理 2、剖分模塊meshing：產(chǎn)生輸入模型的四面體體網(wǎng)格 3、流動模塊fluid：對鑄造過程中的流場進(jìn)行模擬分析 4、應(yīng)力模塊stress：對鑄造過程中的應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析 5、微結(jié)構(gòu)模塊microstructure：對鑄件的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析 6、電磁模塊electromagnetic：對鑄造過程中的電磁場進(jìn)行模擬分析 7、輻射模塊radiation：對鑄造

56、過程中的輻射能量進(jìn)行模擬分析 8、逆運算模塊inverse：采用逆運算計算界面條件參數(shù)和邊界條件參數(shù)4.1.2模擬過程procast軟件的模擬流程包括： 1、創(chuàng)建模型：可以分別用i-deas、pro/e、ug、patran、ansys 作為前處理軟件創(chuàng)建模型，輸出procast可接受的模型或網(wǎng)格文件。 2、meshcast：對輸入的模型或網(wǎng)格文件進(jìn)行剖分，最終產(chǎn)生四面體體網(wǎng)格，生成xx.mesh文件，文件中包含節(jié)點數(shù)量、單元數(shù)量、材料數(shù)量等信息。 3、precast：分配材料、設(shè)定界面條件、邊界條件、初始條件、模擬參數(shù)，生成xxd.out和xxp.out文件。 4、datacast：檢查模型及

57、precast中對模型的定義是否有錯誤，如有錯誤，輸出錯誤信息，如無錯誤，將所有的模型信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，生成xx.unf文件。 5、procast：對鑄造過程模擬分析計算，生成xx.unf文件。 6、viewcast：顯示鑄造過程模擬分析結(jié)果。 7、postcast：對鑄造過程模擬分析結(jié)果進(jìn)行后處理。4.1.3應(yīng)用范圍procast軟件可應(yīng)用于砂模鑄造、金屬模鑄造、熔模鑄造、高/低壓鑄造、精密鑄造、蠟?zāi)ｈT造、連續(xù)鑄造等多種鑄造過程。4.2充型凝固過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型procast鑄造工藝分析軟件采用了先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，成功地實現(xiàn)了流場、溫度場以及凝固過程的耦合。其基本結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。充型凝固過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型能量傳輸模型動量傳輸模型質(zhì)量傳輸模型潛熱處理非穩(wěn)態(tài)n-s方程質(zhì)量傳輸連續(xù)方程非穩(wěn)態(tài)線性方程非穩(wěn)態(tài)線性模型圖 4.1 充型、凝固過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型圖4.3充型及凝固過程數(shù)值模擬流程利用procast鑄造過程仿真分析軟件進(jìn)行壓鑄成型過程的數(shù)值模擬的主要步驟為：1、前處理實體模型的建立和導(dǎo)入；網(wǎng)格的劃分；設(shè)定模擬條件，包括材料屬性、初試條件和邊界條件等的設(shè)定；求解條件的設(shè)定，設(shè)定求解方法、終止條件、數(shù)據(jù)保存等；2、求解，啟動求解器3、后處理后處理用于模擬結(jié)果的觀測，其中包括動態(tài)觀測充型和凝固過程，不同時刻任意截