鑄造過程數(shù)值模擬的研究發(fā)展概況

1、鑄造過程數(shù)值模擬的研究發(fā)展概況鑄造過程數(shù)值模擬的研究發(fā)展概況王連登傅高升陳永祿魏甜良福州大學(xué)材料成型系福建福州350002摘要：鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)可為提高傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的產(chǎn)品品質(zhì)、企業(yè)競爭力提供強(qiáng) 冇力的工具。本文主要綜述了鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)，包括了鑄造工藝cad、鑄件的凝 固過程數(shù)值模擬、鑄件充型過程的數(shù)值模擬、應(yīng)力場數(shù)值模擬、鑄件微觀組織數(shù)值模擬 及鑄造專家系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用概況，并介紹了國內(nèi)外開發(fā)出來的相應(yīng)鑄造模擬 軟件。關(guān)鍵詞：鑄造，數(shù)值模擬，cad, cae中國分類號:tg25, tb24文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a1引言鑄造行業(yè)是制造業(yè)的重耍組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重耍作用。同時(shí)，

2、鑄造業(yè)又 是產(chǎn)品質(zhì)量不易保證、廢品率較高的產(chǎn)業(yè)，因此，對鑄件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)科學(xué)化控制，確保鑄件 質(zhì)量，縮短試制周期，降低鑄件成本，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，對于促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來，鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)cad,鑄件凝固過程數(shù)值模擬 cae等多項(xiàng)技術(shù)u人量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際。以工業(yè)發(fā)達(dá)國家為例，口前人部分的鑄造企業(yè)在 牛產(chǎn)采用凝固模擬分析技術(shù)，精確地預(yù)測缺陷以及改進(jìn)鑄件的出品率。2鑄造工藝cad的發(fā)展與應(yīng)川狀況鑄件成形過程的影響因素繁多，且同一鑄件可同時(shí)冇多種不同的工藝方案。所以，一個(gè) 鑄件的成熟工藝不僅需要有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，且往往需要反復(fù)試驗(yàn)才能確定4。鑄造工 藝cad是指從零件

3、圖輸入到鑄件工藝圖輸出z間應(yīng)完成的全部工藝設(shè)計(jì)工作。主要包括 鑄件的分型面、加t余量、拔模斜度、芯頭、澆注系統(tǒng)、冒口及各種工藝符號的設(shè)計(jì)。澆 冒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其中的關(guān)鍵，并隨金屬材料的凝固特性血顯此外，鑄造工裝部分的cad 主要包括模樣設(shè)計(jì)、模板設(shè)計(jì)、芯盒設(shè)計(jì)和砂箱設(shè)計(jì)。在各種設(shè)計(jì)生成的圖形屮關(guān)鍵是上 下模板的裝配圖和芯盒圖，因?yàn)樗藢澦鶅幽拥募庸?、裝配信息，同時(shí)提出了設(shè)計(jì) 砂箱的相關(guān)要求5-7 o目前，國內(nèi)外研制開發(fā)的鑄造工藝cad系統(tǒng)，概括起來可以分為通用和專用兩類6-7o通用鑄造cad系統(tǒng)主要用于普通砂型鑄造工藝的設(shè)計(jì)，分為鑄鋼、灰鑄鐵、球鐵及 有色等種類，其功能包括澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，補(bǔ)

4、縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分型而、起模斜度、加工余量的 確定，尺寸標(biāo)注，以及工藝圖及工藝卡的輸出；專用鑄造cad系統(tǒng)主要用于某些特定范 圍和特定目的的鑄造工藝設(shè)計(jì)，如壓鑄型cad、齒輪類cad,閥體類cad、曲軸類cad 等。鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序的功能主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1) 鑄件的幾何、物理量計(jì)算，包括鑄件體積、表而積、重量及熱模數(shù)的計(jì)算；(2) 補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包插冒口的設(shè)計(jì)和計(jì)算、冷鐵設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)縮 通道；(3) 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括選擇澆注系統(tǒng)的類型和各部分截面積計(jì)算；(4) 繪圖，包括鑄件圖、鑄造工藝圖、鑄造工藝卡等圖形的繪制和輸出。在鑄造工藝cad中，較多的是采用au

5、tocad軟件(2d)作為圖形處理的支撐軟件(國內(nèi) u有很多在其基礎(chǔ)上二次開發(fā)的軟件)完成鑄件圖、鑄造工藝卡等圖形處理功能?？谇?， 隨著三維造型理論和實(shí)用化技術(shù)的h趨成熟，基于三維的鑄造工藝cad系統(tǒng)具冇許多二維系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)越性， 如兒何信息的完整性，易于與鑄造工藝cae系統(tǒng)、鑄造工藝cad/cam系統(tǒng)銜接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，設(shè)計(jì) 結(jié)果直觀，可方便地生成二維工藝圖樣等，必將成為鑄造工藝cad系統(tǒng)的主流。如今的三維軟件既冇 大型軟件，如ug、pro/engineer catta,也有中檔軟件,如 solid edge、solid work、mot 等以及其它 低檔7的一些軟件。國內(nèi)外在鑄造工藝

6、cad方而的較實(shí)用的軟件主要有：美國鑄協(xié)(afs)的afs- software軟件，可用于鑄鋼鑄鐵的澆冒丨i設(shè)計(jì)；英國foseco公司的feedercalc軟件可計(jì)算鑄鋼件的澆冒 口尺寸，補(bǔ)縮距離及選擇保溫冒口套等；丹麥disa公司的disamatic軟件專川垂玄分型生產(chǎn)線的澆冒 口設(shè)計(jì)；清華大學(xué)研制開發(fā)的ftcad軟件與鑄造工藝輔助設(shè)計(jì)集成軟件castcad,分別適用于球鐵澆冒 口系統(tǒng)設(shè)計(jì)和鋁合金、鑄件和鑄鋼生產(chǎn)；華北工學(xué)院開發(fā)的鑄鋼件集成軟件提出了改進(jìn)ruddle三次方 法設(shè)計(jì)冒口r實(shí)5 現(xiàn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)。這類軟件已在鑄造生產(chǎn)屮得到較好的應(yīng)川，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效 果,可將設(shè)計(jì)人員從大量的重復(fù)

7、性勞動中解放出來在保證產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)也為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和管理一體化 提供4方便。3鑄造充型凝固模擬發(fā)展3.1鑄造凝固過程模擬鑄件凝固過程是鑄造生產(chǎn)中最重要的過程大部分鑄造縮孔、縮松及裂紋等缺陷均 產(chǎn)生于這一過8程。鑄件的凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)主耍包括鑄件及其工藝的幾何造型、三維傳熱數(shù) 值計(jì)算技術(shù)和缺陷判據(jù)這三部分1-2,并對對凝固過程中出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測，評判鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理 性，以減少工藝實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，降低工藝設(shè)計(jì)成本，提高工藝出品率和合格率。根據(jù)美國科學(xué)研究院工程技術(shù)委 員會的測算模擬仿真口j提高產(chǎn)品質(zhì)量515倍、增加材料出品率25%、降低工程技術(shù)成本1330%、降低 人工成本520%、增3

8、加投入設(shè)備利用率30飛0%,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)和試制周期30飛0%等。通過凝固過程數(shù)值模擬可以實(shí)現(xiàn)下述r的：（1）預(yù)知凝固時(shí)間以便預(yù)測生產(chǎn)率；（2）預(yù)知開箱時(shí)間；（3）預(yù)測縮孔和縮松；（4）預(yù)知鑄型的表而溫度以及內(nèi)部的溫度分布，以便預(yù)測金屬型表而熔接情況，方便 金屬型設(shè)計(jì)；（5）控制凝固條件;(6) 為預(yù)測鑄m力，微觀及広觀偏析，鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計(jì)算的基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)。鑄件凝固過程數(shù)值模擬開始于60年代1-2, 9-11,丹麥forsund把有限差分法第一 次用于鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算，z后美國henzel和keuertan應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C(jī)內(nèi)缸體 鑄件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出了溫度場，

9、計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相當(dāng)接近。這些嘗試的成功，使研究者認(rèn)識到 用計(jì)算數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件的凝固過程具有巨人的潛力和廣闊的前景。經(jīng)過了 30多年的研究，無論在 數(shù)學(xué)模型，還是在數(shù)值方法上都已趨丁成熟。隨著三維幾何造型技術(shù)cad的發(fā)展，凝固模擬技術(shù)在以下 三個(gè)方面取得了重要的進(jìn)步1-2, hp： (1)能處理三維復(fù)雜形狀；(2)軟硬件費(fèi)用工廠能夠承受；(3)用戶界而友好。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，凝固過程模擬已形成世界范圍內(nèi)的熱潮。冃前，國內(nèi)外已將凝 固模擬技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究發(fā)展到工廠實(shí)用階段，可以做到以鑄造凝固理論為指導(dǎo)，以計(jì)算機(jī)數(shù)值模 擬為手段，研究、控制凝固及預(yù)測鑄件縮孔、縮松及裂紋等缺陷，預(yù)測

10、鑄件的微觀組織并推測鑄件的機(jī)械 性能，從而達(dá)到優(yōu)化工藝方案，控制及確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，最終實(shí)現(xiàn)取得良好 的經(jīng)濟(jì)效益。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)速發(fā)展，相繼成功開發(fā)一系列專用的鑄造凝固模擬軟件1-2, 9-14,比 較出名的有：德國magma公司的magmas0ft軟件、英國的phoenics和英國foseco公司的solstar法國ap 公司的simulor、日本小松制作所的soldia和日立制作所的s- cast、澳大利亞c1sro公司的 castherm、美國流體科學(xué)公司的flow 3d和美國ues公司的procast.清華大學(xué)研究開發(fā)的“鑄造之星ft- star”三維鑄件充

11、型凝固過程數(shù)值模擬分析系統(tǒng)、華屮科技人學(xué)的華鑄cae等。模擬技術(shù)已經(jīng)人量應(yīng)用于 鑄件的日常生產(chǎn)z3屮，在分析鑄造缺陷、預(yù)測鑄件質(zhì)最、優(yōu)化鑄造t藝方面發(fā)揮著重要的作用。3.2充型過程的數(shù)值模擬鑄造充型流動過程對鑄件的最終質(zhì)量有著重要的影響，平穩(wěn)的充型流動過程，合理的充 型順序是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的必要條件，是鑄件形成過程的重要環(huán)節(jié)11。充型過程數(shù)值模擬一方面可分 析金屬液在澆冒口系統(tǒng)和型腔中的流動狀態(tài)，優(yōu)化澆冒口設(shè)計(jì)并仿真澆道中的吸氣，以 消除流股分離和避免氧化，減輕金屬液對鑄型的侵蝕和沖擊；另-方而，分析充型過程中金屬液及鑄型溫度變化，預(yù)測冷隔和 澆不足等鑄造缺陷。以上結(jié)果町用于優(yōu)化澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)，預(yù)

12、測冷隔和澆不足等缺陷，同時(shí)為后續(xù)的凝固過程 模擬分析提供初始溫度場條件。這對特大鑄件、壓鑄、薄壁件及金屬型鑄造尤其重要1-2 o充型過程的數(shù)值模擬始于80年代初15-18,臺灣省學(xué)者黃文星在美國匹茲堡人學(xué)與 r. a. stoehr 教授一起首先將流體力學(xué)的研究成果用于解決鑄造充型問題，開辟了充型過程研究的新領(lǐng)域。 接著，p v. desai.王君卿及h. j. lin等相繼取得了進(jìn)展。但此時(shí)的充型過稈數(shù)值模擬基本上僅限于二 維問題。1989年，il j.lin和黃文星一起開發(fā)岀了三維數(shù)值模擬計(jì)算模型，把mac和sola結(jié)合在一起研究 三維流動問題。由于充型過程數(shù)值模擬計(jì)算涉及的控制方程多冃復(fù)

13、雜，需要對連續(xù)性方程、動量方程和 能量方程聯(lián)立求解，并要進(jìn)行速度場、壓力場的反復(fù)迭代，計(jì)算量大且結(jié)果不易收斂，對自【11表而邊 界問題需要特殊處理，.11由于鑄型是不透明的，鑄件的澆注過程乂是在高溫下進(jìn)行，要對鑄造充型過程進(jìn) 行直接觀察和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的代價(jià)十分昂貴，這一系列問題，致使充型過程數(shù)值模擬的難度很大10- lllo液態(tài)金屬的充型過程可認(rèn)為是不可壓縮的牛頓流體的非穩(wěn)定流動過程，這是該過程基木數(shù)學(xué)模型的理論求解 基礎(chǔ)。目前，鑄造充型過程數(shù)值模擬技術(shù)的求解方法主要有三種方法：(1) simple 法，即壓力連接方程半隱式方法(semi- implicit method for pressu

14、re linked equation)；(2) smac 法，即簡化標(biāo)示粒子法(simplified marker and cell)；(3) sol a- vof 法,即解法(solution algorithm)及體積函數(shù)法(vo 1 ume of fluid)o國內(nèi)外現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)了以流場模擬的實(shí)用化為h標(biāo)和應(yīng)的商品軟件1-2, 9-18,如德國 的magmasoft、美國的procast、flow 3d、清華人學(xué)的ftstar、華中科技人學(xué)的華 鑄cae等，不僅能夠冇效地預(yù)測鑄件縮孔類缺陷，其準(zhǔn)確性基本上達(dá)到了址量的程度， 為鑄造工藝的設(shè)計(jì)提供可靠的理論基礎(chǔ)和實(shí)用參數(shù)，對實(shí)現(xiàn)鑄造工藝的設(shè)計(jì)

15、從經(jīng)驗(yàn)化走向科學(xué)化。9 24鑄造的應(yīng)力場模擬在鑄件凝固過程屮，【11于各處冷卻速度不均勻和砂型的阻礙作用，造成了熱應(yīng)力與變 形，產(chǎn)生熱裂或在落砂后鑄件中仍然存在較人的殘余應(yīng)力和殘余變形(如板形件容易產(chǎn)生撓曲，半圓形 鑄件容易產(chǎn)牛:擴(kuò)口)。上述鑄造缺陷都直接和凝固過程中熱應(yīng)力的產(chǎn)生與發(fā)展有關(guān)，這對鑄件的形狀、 尺寸精度和使用性能有很大的影響1-2 o對鑄件凝固過程進(jìn)行應(yīng)力數(shù)值模擬可更好地了解鑄件凝固過程 中應(yīng)力和變形的動態(tài)變化關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究和預(yù)測熱裂，并對鑄件進(jìn)行殘余應(yīng)力和殘余變形分析，進(jìn)行精 度控制19 o由于應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)涉及相變、彈塑性變形、乃至嫦變形變等理論以及高溫狀態(tài)下 的力

16、學(xué)性能及熱物性參數(shù)等。鑄造材料的力學(xué)特性具有高度非線性，加z鑄造成形系統(tǒng)是由多種材質(zhì) 組成,它們之間的力學(xué)性能相差懸殊，使鑄造應(yīng)力場比一般的結(jié)構(gòu)皿力場史加復(fù)雜，影響其求解過程的精 度穩(wěn)定性及收斂性。此外，鑄造應(yīng)力的分析需要綜合運(yùn)用流體流動、熱傳遞、材料高溫 力學(xué)性能分析等技術(shù)，研究難度大，從而使研究進(jìn)展緩慢，19-21。鑄件的凝固過程都要經(jīng)歷液態(tài)、固液兩相共存區(qū)和固態(tài)三 個(gè)階段，月在某一時(shí)亥ij,鑄件中可能出現(xiàn)三個(gè)區(qū)域共存情況。由于鑄件在固液兩相區(qū)和固相區(qū)的力學(xué)行為不 同，鑄件凝固過程9應(yīng)力場模擬涉及的應(yīng)力應(yīng)變木構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，其m力場數(shù)值模擬也相 應(yīng)分為：固液兩相區(qū)（準(zhǔn)固相區(qū)）的模擬；凝固以后階

17、段的模擬。h前的模擬研究主要集中在凝固以后階段，在固液兩相區(qū) 的研究工作較少。2為了充分利用現(xiàn)有的凝固模擬技術(shù)成果，使有限差分法（fdm）在溫度場模擬等方而方 便快捷的優(yōu)勢及有限元法（fem）的應(yīng)力場模擬功能都得到充分發(fā)揮，現(xiàn)在多數(shù)應(yīng)力數(shù)值模擬普遍走 fdm/ fem集成化研究z路。如多數(shù)鑄造專用商品化軟件包均采用fdm進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬計(jì)算，如 magmasoft、afsolid. solstar、solidia. novacast. ft-star 及 inter cast 等21。國內(nèi)關(guān)于 應(yīng)力場數(shù)值模擬的研究是80年代后期起步的19-21,進(jìn)入90年代以后取得很大進(jìn)展。早期國 內(nèi)應(yīng)力場

18、研究大都是在自己的系統(tǒng)中借用國外大型通用有限元分析軟件，如ansys、marc、adina、t-deas等進(jìn) 行二次開發(fā)，模擬分析鑄件應(yīng)力場。如清華人學(xué)、哈爾濱工業(yè)人學(xué)、人連理工大學(xué)、華 北工學(xué)院、東華大學(xué)等單位對三維應(yīng)力場模擬分析系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究，并取得了較大成功。上海交通大學(xué)的王業(yè)雙 等對熱裂形成理論和熱裂傾向性作了一處的分析，重點(diǎn)介紹了強(qiáng)度理論、晶間搭橋理論、凝固收縮補(bǔ)償理 論和csc判據(jù)、hcs判據(jù)。華中科技大學(xué)采用fdm/fem集成的方法，建立實(shí)用化通用 化熱應(yīng)力場分析系統(tǒng)，并采用此技術(shù)模擬準(zhǔn)固態(tài)區(qū)、完全固態(tài)區(qū)的應(yīng)力場19。5鑄件的組織模擬隨著數(shù)值模擬技術(shù)的廣泛應(yīng)用及不斷深入，人

19、們逐漸認(rèn)識到僅僅以導(dǎo)熱方程為凝固過程 的基本方程來解答凝固過程中的問題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)用凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)的目的不僅僅是為了 獲得不同時(shí)刻溫度場或流動場的分布情況，其最終目的是要獲得固/液相界面推進(jìn)過程衣時(shí)間和空間上的 描述，進(jìn)而預(yù)測品粒微觀組織的特性，依此控制并優(yōu)化鑄件的紐織分布和機(jī)械性能22 o隨著結(jié)晶機(jī)理的進(jìn) 一步完善，人們開始把注意力集中到微觀組織的形成，將形核、晶粒生長及溶質(zhì)擴(kuò)散的各種機(jī)理引入凝固數(shù) 值模擬，通過將形核模型、半長模型以及在形核、牛長及溶質(zhì)擴(kuò)散的各種機(jī)理引入凝固數(shù)值模擬，通過將 形核模型、生長模型以及在形核、生長過程的影響因索與基本的傳熱方程進(jìn)行了耦合，建立較完善的微

20、- 宏觀模型，進(jìn)行較精確的微觀組織模擬。鑄件微觀組織數(shù)值模擬是計(jì)算鑄件凝固過程中的成核、生長等，以 及凝固后鑄件的微觀紐織，并預(yù)測出鑄件可能具備的性能。通過計(jì)算機(jī)摸擬可研究材料的結(jié)構(gòu)、組成及其 各物理化學(xué)過程中宏觀、微觀變化機(jī)制并由材料成份、結(jié)構(gòu)及制備參數(shù)的最佳組合進(jìn)行材料設(shè)計(jì)1-2 o1985年，瑞士 m rappaz教授與美國stefanescu教授同時(shí)對微觀組織進(jìn)行了模擬研 究，從溫度場入手，織，如晶粒數(shù)、晶粒尺寸分布及二次臂間跖等。90年代，rappaz和gandin等人介紹了一種 模擬晶粒形核與半長的新方法一單元自動控制模型 cellular automation (ca) o 以

21、cel lular automat io n 技術(shù)為依據(jù)，rappaz和gandin考慮了表面和中心部分形核與取向的隨機(jī)性，提出了用 不同的統(tǒng)計(jì)方法來模擬凝固過程的晶粒組織1-2,9, 22 o 1994年，rappaz和gandin提出了一種模擬晶粒形核長大的有限元(fe) 和單元自動控制(ca)的禍合模型(fe-ca) o這些模型是以確定性方法和概率論方法兩種模擬方法為基礎(chǔ)。隨著計(jì)算方法與計(jì)算機(jī)硬件不斷發(fā)展，微觀組織模擬技術(shù)的發(fā)展叮分為三個(gè)階段：確定 性方法，概率論方法及相場方法2,9,22。其屮，相場方法可使研究者直接模擬微觀組織的形成，相 場方程的解可以描述金2屬系統(tǒng)屮固/液相界面的狀

22、態(tài)、曲率以及界面的移動。把相場方法與溫度場、溶質(zhì)場、 流場等外場結(jié)介耦介，則可以對金屬液的凝固過程進(jìn)行較真實(shí)的模擬，從而使得微觀組 織技術(shù)經(jīng)歷了由定性模擬到半定量模擬再到定量模擬的過程。國外多尺度模擬已在汽車及航天工業(yè)中得到應(yīng)用。20世紀(jì)90年 代后期鑄造微觀模擬開始由試驗(yàn)研究向?qū)嶋H應(yīng)川發(fā)展，如德國的magmas0ft與美國的pr0cast已經(jīng)有相應(yīng) 的微觀組織模擬的模塊1-2, 12,可以滿足鑄鐵、鑄鋼件生產(chǎn)需要，并且能夠定性和定 量計(jì)算固相轉(zhuǎn)變。通過微觀組織模型計(jì)算固相如奧氏體、鐵索體、滲碳體和珠光體的成分、含量以及相應(yīng)的潛熱釋放。國 內(nèi)的研究雖處于起步階段在，但在相場法研究鋁合金枝晶生長

23、、元胞自動機(jī)(cellular automaton)法研究 鋁合金組織演變及汽車球墨鑄鐵件微觀組織與性能預(yù)測等方面均已取得重要進(jìn)展，并且已經(jīng)形成一支強(qiáng)人的 研究力量，如沈陽鑄造研究所、大連理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等。26鑄造中專家系統(tǒng)的研究與發(fā)展?fàn)顩r專家系統(tǒng)(expert system),又稱為基于知識的系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)具有智能特點(diǎn)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。專家系統(tǒng)一般由知識庫、推理機(jī)、數(shù)據(jù)庫、知識獲取機(jī)制、解釋機(jī)制以及人機(jī)界面組成，如圖1所示。該系統(tǒng)能夠在特定領(lǐng)域內(nèi),模仿人類專家思維求解復(fù)雜問題的過程1, 23-30 o我國鑄造丁藝cad已取得了很大進(jìn)展，鑄件凝固模擬技術(shù)進(jìn)入實(shí)川化階段。然

24、而，影響實(shí)際生產(chǎn)的因索是隨圖1.專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖福建省科協(xié)2005年學(xué)術(shù)年會“數(shù)字化制造及其它先進(jìn)制造技術(shù)”專題學(xué)術(shù)會議機(jī)的冃復(fù)雜的，難以數(shù)學(xué)公式直接描述，只有通過具有豐富經(jīng)驗(yàn)的鑄造工作者或?qū)＜业?分析、推理才能確世。人工智能型專家系統(tǒng)正是具冇這一特點(diǎn)，使之能模仿鑄造專家的思維方式，對各種 復(fù)雜情況進(jìn)行診斷，在不確總的信息基礎(chǔ)上得出正確的結(jié)論。因此，開發(fā)和應(yīng)用鑄造專家系統(tǒng)具冇非常重耍 的意義。1國外鑄造專家系統(tǒng)的研制始于80年代。1987年，瑞典novacast a b同 人工智能專家donald 1michie教授開發(fā)了一個(gè)商品化的鑄造專家系統(tǒng)開發(fā)工具foundry export,對用于鑄造

25、過程控 制、診斷、咨詢和規(guī)劃等領(lǐng)域。用該工具開發(fā)的型砂自適應(yīng)控制系統(tǒng)，可以大大減少型砂的波動以及附加物 的加入量；在此基礎(chǔ)上還開發(fā)了一個(gè)具冇自學(xué)習(xí)功能的鑄件缺陷分析專家系統(tǒng)，其分析的主耍缺陷類型 有：縮孔（內(nèi)部、外部）、表而缺陷、氣孔、夾渣、基體或石墨形狀不規(guī)則等。由美國missouri人學(xué)與wisconsin人學(xué)聯(lián)合開發(fā)的分析鑄件內(nèi)部缺陷的專家系統(tǒng) cdap。該系統(tǒng)采用置信度因子處理不確定性問題，能區(qū)分氣體、收縮及型壁移動3個(gè)基木因素所導(dǎo)致 的內(nèi)部不良缺陷。英國伯明翰大學(xué)研制的cadcast軟件可用于鑄件設(shè)計(jì)和加工過程，它構(gòu)造1個(gè)川于選擇 合金和鑄造方法的知識庫，根據(jù)已選合金初步選擇與其匹配

26、的鑄造方法，還可由零件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加以確定。 此外，鑄造專家系統(tǒng)在國外的開發(fā)與應(yīng)用還有很多23-30,如wax pert是ppc airfoils開發(fā)的關(guān)于 熔模鑄造蠟?zāi)Ｆ焚|(zhì)控制的專家系統(tǒng)，cd1是美國west virginia大學(xué)開發(fā)的可用來識別國際鑄件缺陷圖譜中的鑄 件缺陷telecast是美國orcgo n state大學(xué)為幫助學(xué)生確定鑄件缺陷原因而開發(fā)的鑄 件分析專家系統(tǒng)等等。還有h木豐iti公司開發(fā)的壓鑄模設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)pcpses已廣泛地應(yīng)用在汽車鑄件生產(chǎn)控制系統(tǒng)屮；由印度技 術(shù)學(xué)院冶金工程系開發(fā)的鑄件缺陷分析診斷系統(tǒng)cdad, -ku的是協(xié)助鑄造丁作人員對缺陷進(jìn)行分類、診 斷并消除鑄

27、造缺陷。國內(nèi)，這一領(lǐng)域的研究開發(fā)t作起步較晚，始于20世紀(jì)80年代。但對專家系統(tǒng)的研 究與應(yīng)用不斷深入，在一些方面也取得了長足發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，已有不少專家系統(tǒng)在生產(chǎn) 實(shí)際中得以應(yīng)用。清華大學(xué)首先開發(fā)了 “砂型品質(zhì)分析和管理的專家系統(tǒng)”，在該系統(tǒng)中可對砂型品質(zhì)進(jìn) 行評估、分析因造型材料品質(zhì)引起的鑄造缺陷、建立造型材料性能數(shù)據(jù)庫等功能，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫所 提供數(shù)據(jù)，顯示、打卬出型砂性能每it或每月的變化趨勢圖，供型砂品質(zhì)管理人員進(jìn)行綜合分析。隨后， 淸華大學(xué)乂開發(fā)了“球墨鑄鐵鑄件缺陷分析專家系統(tǒng)acdes”，它總結(jié)了清華大學(xué)幾十年球墨鑄鐵的實(shí)踐 經(jīng)驗(yàn)和研究成果，系統(tǒng)地建立了球墨鑄鐵件缺陷分

28、析知識庫。冃前，清華大學(xué)正從事“鑄造品質(zhì)專家fq expertw系統(tǒng)的開發(fā)工作,25-27 o另外，國內(nèi)的其它鑄造專家系統(tǒng)還有27-30： #肅工業(yè)大學(xué)研制了“鑄件缺陷分析系統(tǒng)”;鐵道部戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所開發(fā)了 1個(gè)完整的鑄鋼件缺陷分析專家系統(tǒng)wis,構(gòu) 造了 1個(gè)適合鑄造領(lǐng)域的診斷類型的專家系統(tǒng)外殼；華南理工大學(xué)研制出了壓鑄工藝參數(shù)設(shè)計(jì)及缺陷判斷的 專家系統(tǒng)；此外，西安理工大學(xué)開發(fā)了鑄造缺陷分析及工藝對策專家系統(tǒng)；臺灣成功大學(xué)開發(fā)了鑄件缺陷 診斷計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等11127°冃前，鑄造專家系統(tǒng)已在如下兒個(gè)方而得到應(yīng)用：(1) 材料與工藝過程的數(shù)據(jù)分析：如怎樣的金屬熔煉工藝會導(dǎo)致球墨鑄鐵組織小共晶石 墨的形成？(2) 工藝過程調(diào)節(jié)的預(yù)報(bào)：如沖犬爐熔煉的專家系統(tǒng)對鐵液的化學(xué)成分、溫度、氧氣狀 況等借助于風(fēng)量的控制與調(diào)節(jié),都能事先進(jìn)行預(yù)報(bào)。(3) 建議、咨詢類專家系統(tǒng)：如各種合金鑄件的化學(xué)成分選擇、澆冒口確定等。(4) 診斷類專家系統(tǒng)：如鑄件缺陷或機(jī)器故障的診斷分析。(5) 優(yōu)化與選擇：如1個(gè)鑄件最合適的鑄造方法的選擇。雖然鑄造工程專家系統(tǒng)技術(shù)在鑄造的許多領(lǐng)域，包括鑄造方法選擇、缺陷分析與診斷、 工藝設(shè)計(jì)等方而中已廣為展開，但總的來說h前還處于初級階段，有待于進(jìn)一步提高和完善。隨著計(jì) 算機(jī)技術(shù)和信息技1術(shù)的迅猛發(fā)展，各種先