材料成型CAE復(fù)習(xí)

1、題 型一、名詞解釋 本題5小題，每題3分，共15分二、選擇題 共5題；每小題2分，共10分三、填空題 本題共15空，每空1分，共15分四、簡答題 本題4小題，每題10分，共40分 五、論述題 共1題，本題20分暫定第20周周二晚上，18:00-19:30，專業(yè)英語考試周三晚上,18:00-19:30，材料成型CAE技術(shù)及應(yīng)用A 考試具體地點另外通知。復(fù)習(xí)重點內(nèi)容如下。鑄造模擬軟件部分主要看這幾頁資料，塑料模擬軟件要根據(jù)我提的重點，復(fù)習(xí)教材中相關(guān)內(nèi)容。第一章CAE概念、應(yīng)用、發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢一、介紹本課程的主要內(nèi)容。1、CAE技術(shù)概述；2、鑄造CAE研究概況；3、鑄造成形數(shù)值模擬的原理；4、C

2、AE的前期準(zhǔn)備；5、Anycasting軟件的使用。二、介紹CAE技術(shù)CAD、CAE、CAM等技術(shù)在鑄造領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并已成為鑄造學(xué)科的技術(shù)前沿和最為活躍的研究領(lǐng)域。它們分別指計算機輔助設(shè)計CAD、計算機輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）、計算機輔助制造CAM。1、計算機輔助設(shè)計CAD：是以計算機為主要手段來輔助設(shè)計者完成某項設(shè)計工作的建立、修改、分析和優(yōu)化、信息輸出等全部任務(wù)的綜合性高新技術(shù)。它的主要研究內(nèi)容包括造型技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計、綜合評價和信息交換等方面。造型技術(shù)：以各種數(shù)字化的圖形來表達(dá)設(shè)計方案，在解決了二維圖形問題之后，目光集中在三維的圖形技

3、術(shù)方面，曲面造型、實體造型、特征化造型、參數(shù)化設(shè)計等。優(yōu)化分析：在工程設(shè)計中要進(jìn)行各種分析，包括力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等。現(xiàn)在可以把各種優(yōu)化分析的專用軟件集成到計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中去，使設(shè)計者在設(shè)計的同時進(jìn)行充分地分析、優(yōu)化所設(shè)計的方案。綜合評價：先進(jìn)的CAD軟件提供分塊、分層、剖切功能，三維CAD系統(tǒng)具備的實時旋轉(zhuǎn)、縮放功能，使設(shè)計者感覺就像是面對完全真實的物體，可以剖視他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行各種校驗和評價。也可以仿真各個零件的裝配過程，給出準(zhǔn)確的裝配關(guān)系，自動檢測干涉情況，為設(shè)計方案的修改提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。信息交換：CAD與CAD之間、CAD與CAE、CAD與CAM之間可以進(jìn)行信息溝通和資源共

4、享。2、計算機輔助工程CAE，主要以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算技術(shù)而形成的一門綜合性、知識密集型的學(xué)科。又稱模擬仿真技術(shù)。主要是通過構(gòu)造能夠準(zhǔn)確描述研究對象的某一過程或?qū)傩缘臄?shù)學(xué)模型，利用合適的求解方式，設(shè)置合理的邊界條件和初始條件，得到研究對象的某一過程或?qū)傩缘那蠼饨Y(jié)果。預(yù)測可能產(chǎn)生的問題和發(fā)展趨勢，提出科學(xué)、合理的對策、建議、方法。主要研究內(nèi)容有：有限元分析：用有限元對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、動態(tài)特性、強度、振動、熱變形、磁場強度、流場等進(jìn)行分析和研究，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化工藝方案。模擬仿真：通過建模、求解、分析，模擬實際過程，優(yōu)化產(chǎn)品

5、設(shè)計和工藝方案。模擬仿真方法有有限差分法，邊界元法等。優(yōu)化設(shè)計：用參數(shù)優(yōu)化法進(jìn)行方案優(yōu)選。三維運動機構(gòu)的分析和仿真：對機構(gòu)的運動參數(shù)、運動軌跡、干涉校核進(jìn)行研究，為人們設(shè)計機構(gòu)時提供直觀的、可以仿真或交互的設(shè)計技術(shù)。3、計算機輔助制造CAM：利用計算機對制造過程進(jìn)行設(shè)計、管理和控制，包括工藝設(shè)計、數(shù)控編程和機器人編程等內(nèi)容。工藝設(shè)計主要是確定零件的加工方法、加工順序和所用設(shè)備。只要將鑄件圖樣、鑄型材料、鑄造合金熱物性參數(shù)、凝固特性及數(shù)學(xué)模型等輸入計算機，即可計算出合理的澆冒口系統(tǒng)。運用相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)可對設(shè)計的工藝進(jìn)行屏幕試澆，模擬鑄件凝固過程，預(yù)測凝固缺陷、微觀組織、殘余應(yīng)力；再利用先進(jìn)的

6、圖像顯示技術(shù)對屏幕試澆結(jié)果做逼真的三維圖像顯示，對缺陷位置、程度進(jìn)行全面的評估，從而提出工藝改進(jìn)措施，進(jìn)行新一輪工藝設(shè)計優(yōu)化、屏幕試澆、工藝校核。CAD、CAE、CAM的綜合利用，可以從全局出發(fā)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。CAE工程分析是現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的一項重要內(nèi)容，也是現(xiàn)代設(shè)計和制造領(lǐng)域內(nèi)必不可少的關(guān)鍵步驟，一般在CAD之后，CAM之前進(jìn)行。鑄造成型CAE一、什么是鑄造成型CAE鑄造成型CAE是基于有限分析（有限元及有限差分技術(shù)）的模擬優(yōu)化技術(shù)，包括充型過程模擬、凝固過程模擬、應(yīng)力應(yīng)變分析、微觀組織模擬等，為制定合理的鑄造工藝提供有力的指導(dǎo)。二、數(shù)值模擬的步驟是：1、分析實

7、際問題，建立能反映此問題的物理模型2、根據(jù)物理模型找出支配過程的主要參數(shù)并建立能描述實際過程的基本方程或數(shù)學(xué)模型3、尋求說明此實際過程的各項單值條件，如幾何條件、物性條件、初始條件、邊界條件等4、將基本方程所涉及的區(qū)域在空間上和時間上進(jìn)行離散化處理，使之形成一系列的微小單元或節(jié)點5、 在所有單元上建立由基本方程及定解條件轉(zhuǎn)換而成的數(shù)值計算方程組6、 選用適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ㄇ蠼夥匠探M7、 結(jié)果處理成各種數(shù)據(jù)、圖形或其他文件三、常用的數(shù)值計算方法有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）；有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM）邊界元法（Boundar

8、y Element Method，BEM）；直接差分法（Direct Finite Difference Method，DFDM）。鑄造CAE最常用的是有限差分法和有限元法。有限差分法一般用于充型凝固模擬，有限元法常用于壓鑄模具的力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計。1、邊界元法【定義】將力學(xué)中的微分方程的定解問題化為邊界積分方程的定解問題，再通過邊界的離散化與待定函數(shù)的分片插值求解的數(shù)值方法 【特點】邊界元法通過選擇合適的權(quán)函數(shù)使其中體積積分項為零，將問題轉(zhuǎn)化成僅僅對邊界進(jìn)行線積分，意味著將實際問題降低一維來處理；對網(wǎng)格劃分沒有嚴(yán)格限制；對于穩(wěn)態(tài)問題甚至無須處理內(nèi)部區(qū)域，只須對邊界進(jìn)行分割即可；但邊界元法的公

9、式推導(dǎo)及運算過程都比較復(fù)雜，計算工作量也較大。尤其對非穩(wěn)態(tài)問題，內(nèi)部區(qū)域仍須網(wǎng)格劃分?！緫?yīng)用】對于邊界變量變化梯度較大的問題 ，如應(yīng)力集中問題 ，或邊界變量出現(xiàn)奇異性的裂紋問題，邊界元法被公認(rèn)為比有限元法更加精確高效。由于邊界元法所利用的微分算子基本解能自動滿足無限遠(yuǎn)處的條件，因而邊界元法特別便于處理無限域以及半無限域問題。2、有限元法有限元的基本概念：有限元法的實質(zhì)就是將一個無限的連續(xù)體理想化為有限個單元的組合體，使復(fù)雜問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題，且在一定的條件下，問題簡化后求得的近似解能趨近于真實解。（1）【特點】節(jié)點可任意配置，邊界適應(yīng)性好；適應(yīng)任意支撐條件和載荷；計算精度與網(wǎng)

10、格疏密和單元形態(tài)有關(guān)，精度可控；離散算法復(fù)雜，對硬件的要求高。（2）【中心思想】將一個連續(xù)求解域（對象）離散（剖分）成有限個形狀簡單的子域（單元），利用有限個節(jié)點將各子域連接起來，使其分別承受相應(yīng)的等效節(jié)點載荷（如應(yīng)力載荷、熱載荷、流速載荷等），并傳遞子域間的相互作用；在此基礎(chǔ)上，借助子域插值函數(shù)和“平衡”條件構(gòu)建各子域的物理場控制方程；將這些方程按照某種規(guī)則組合起來，在給定的初始條件和邊界條件下進(jìn)行綜合計算求解，從而獲得對復(fù)雜工程問題的近似數(shù)值解。（3）【優(yōu)越性】能夠分析形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；能夠處理復(fù)雜的邊界條件；能夠保證規(guī)定的工程精度；能夠處理不同類型的材料（4）【應(yīng)用】最初應(yīng)用在固體力學(xué)領(lǐng)域

11、，逐步推廣到溫度場、流體場、電磁場、聲場等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，主要用于線性靜力分析、動態(tài)分析，也用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問題的研究。有限元法分析的基本過程：有限元軟件分為前處理、分析計算和后處理三大部分：（5）【各階段的任務(wù)】 前處理前處理模塊的主要功能是構(gòu)建分析對象的幾何模型、定義屬性以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散劃分單元；前處理的任務(wù)就是實際問題或設(shè)計方案抽象為能為數(shù)值計算提供所有數(shù)據(jù)的有限元模型，故又稱建模。該模型定量反映了分析對象的幾何、材料、載荷、約束等各個方面的特性。建模的中心任務(wù)是離散，還包括與之相關(guān)的其他工作，如單元結(jié)構(gòu)形式處理、幾何模型

12、建立、單元類型和數(shù)量選擇、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查以及模型邊界條件的定義等 計算分析計算模塊則對單元進(jìn)行分析與集成，并最終求解得到各未知場量；計算的任務(wù)是基于有限元模型完成有關(guān)的數(shù)值計算，并輸出需要的計算結(jié)果。主要工作包括單元和總體剛度矩陣的形成、邊界條件的處理和特性方程的求解。該工作主要由計算機完成，除計算前需要對計算方法、計算內(nèi)容、計算參數(shù)和工況條件等進(jìn)行必要的設(shè)置和選擇外，一般不需要人的干預(yù)。 后處理后處理的任務(wù)是對計算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來，以便對分析對象的性能或設(shè)計的合理性進(jìn)行分析、評估，做出相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。（6）【有限元建模的重要性】影響結(jié)果精度。

13、模型的誤差直接決定計算結(jié)果的精度。如果模型本身不合理，即使計算方法再精確，也不可能得到高精度的分析結(jié)果。模型的形式是決定結(jié)果精度的主要因素。影響計算過程。不同的模型所需要的計算時間和存儲容量可能相差很大，不合理的模型還可能導(dǎo)致計算過程死循環(huán)或終止。對人員要求高。分析需要綜合考慮的因素很多，所以要求分析人員有相應(yīng)的專業(yè)知識、有限元知識和軟件使用技能等?；ㄙM時間長。分析人員可把計算過程作為“黑匣子”來對待，而把主要精力集中在建模上。據(jù)統(tǒng)計，建?；ㄙM的時間約占整個分析時間的70%左右。提高建模速度是縮短分析周期的關(guān)鍵。（7）模型的定義包括：節(jié)點數(shù)據(jù)，單元數(shù)據(jù)，邊界條件數(shù)據(jù)（8）建立有限元模型的一般步

14、驟：問題定義-幾何模型建立-單元選擇-單元特性定義-網(wǎng)格劃分-模型檢查和處理-邊界條件定義-計算-結(jié)果比較-模型修正（9）【有限元建模的基本原則】建立網(wǎng)格模型時需要考慮的因素很多，不同分析問題所考慮的側(cè)重點也不一樣。但都應(yīng)考慮兩條基本原則：一是保證計算結(jié)果的精度，二是要適當(dāng)控制模型的規(guī)模。3 有限差分法【定義】把基本方程和邊界條件（一般為微分方程）近似地改用差分方程表示，把求解微分方程的問題轉(zhuǎn)換為求解代數(shù)方程的問題?！咎攸c】差分公式導(dǎo)出簡單、計算成本低、但其穩(wěn)定性要求決定了在離散化時對距離步長與時間步長的選用受到一定制約。網(wǎng)格劃分規(guī)整，無需構(gòu)建形函數(shù)，不存在單元分析和整體分析。一般要求對物體作

15、有規(guī)則網(wǎng)格劃分，對于復(fù)雜或不規(guī)則的幾何形狀的分析精度受到影響?！局行乃枷搿繉⑦B續(xù)求解域劃分成差分網(wǎng)格（最簡單的差分網(wǎng)格為矩形網(wǎng)格），用有限個節(jié)點代替原連續(xù)求解域，用差商代替控制微分方程中的導(dǎo)數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立含有限個未知數(shù)的節(jié)點差分方程組；代入初始條件和邊界條件后求解差分方程組，該差分方程組的解就是原微分方程定解問題的數(shù)值近似解?！緲?gòu)造有限差分的方法】 方法很多，主要有（1）數(shù)值微分法；（2）積分插值法；（3）待定系數(shù)法（4）泰勒(Taylor)級數(shù)展開法等。目前普遍采用泰勒(Taylor)級數(shù)展開法，即將展開式中求解連續(xù)場控制方程的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點上函數(shù)值的差商代替，進(jìn)而建立起基于網(wǎng)格節(jié)點函

16、數(shù)為未知量的代數(shù)方程組。第二章 鑄造成型過程數(shù)值模擬概況三、鑄造成形CAE軟件學(xué)習(xí)的目的及意義1、研究目的。鑄造成形過程數(shù)值模擬涉及到鑄造理論與實踐、計算機圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、三維造型、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等多種學(xué)科，是典型的多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域。最終的研究目的是在計算機虛擬的環(huán)境下，通過交互方式，能夠制定合理的鑄造工藝，而不需要到現(xiàn)場去做試生產(chǎn)，從而可以大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低廢品率，提高經(jīng)濟效益。2、研究意義鑄造是機械產(chǎn)品毛坯的重要生產(chǎn)方法， 在國民經(jīng)濟中占有重要地位。隨著世界統(tǒng)一市場的形成和發(fā)展，鑄造企業(yè)面臨著日益激烈的競爭和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的試錯法鑄造設(shè)計、生

17、產(chǎn)方式已不能適應(yīng)市場對企業(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。鑄造工藝CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用并成為改造傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的高新技術(shù)，為企業(yè)提高鑄件質(zhì)量、贏得市場競爭發(fā)揮重要作用。CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)逐漸深入鑄造領(lǐng)域并應(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)步帶來了全新的活力。21世紀(jì)鑄造成形加工技術(shù)的總目標(biāo)是高質(zhì)量、短周期及低成本。圍繞此目標(biāo)，世界各國鑄造成形加工技術(shù)的研究方向：一是重大工程中的特大型鑄件的關(guān)鍵鑄造技術(shù)；二是精確成形技術(shù)（Net Shape Casting），例如鑄件的輕量化、強韌化、精密化及工藝的復(fù)合化將是精確鑄造成形技術(shù)發(fā)展的主要

18、內(nèi)容；三是計算機模擬仿真及優(yōu)化技術(shù)逐步替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗性研究方法。鑄造工藝CAD和CAE技術(shù)的主要功能：采用鑄造工藝CAD及過程模擬仿真技術(shù)（簡稱鑄造CAE技術(shù)）可以快速設(shè)計及優(yōu)化鑄造工藝，并可用電腦澆注的方法來可視化地顯示出鑄造全過程以及缺陷形成過程。這可以徹底改變傳統(tǒng)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、提高市場競爭能力，是鑄造工藝由“經(jīng)驗”走向“科學(xué)”的重要途徑，對提高鑄造企業(yè)的生產(chǎn)水平和競爭力具有重要的現(xiàn)實意義。研究意義有以下兩點：1、工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的重要手段和工具工程和制造企業(yè)的生命力在于工程/產(chǎn)品的創(chuàng)新，而對于工程師來說，實現(xiàn)創(chuàng)

19、新的關(guān)鍵，除了設(shè)計思想和概念之外，最主要的技術(shù)手段，就是采用先進(jìn)可靠的CAE軟件.2、科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新研究的重要手段科學(xué)計算是現(xiàn)代科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)研究的三大手段之一。它可以幫助科學(xué)家揭示用物質(zhì)實驗手段尚不能表現(xiàn)的科學(xué)奧秘和科學(xué)規(guī)律。同時，它也是工程科學(xué)家的研究成果-理論、方法和科學(xué)數(shù)據(jù)-的歸屬之一，做成軟件和數(shù)據(jù)庫，成為推動工程和社會進(jìn)步的最新生產(chǎn)力。四、 研究內(nèi)容1、溫度場模擬：利用傳熱學(xué)原理，分析材料成型的傳熱過程，模擬鑄件的冷卻凝固過程及相關(guān)缺陷等。傳熱的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。（1）熱傳導(dǎo)：在流體（液體、氣體）和固體接觸的場合，即使是流體一側(cè)，在邊界面上也仍然會因熱傳導(dǎo)

20、而引起熱的流動，即傳導(dǎo)傳熱。熱傳導(dǎo)時，導(dǎo)熱的基本定律是傅里葉定律，比熱流量；，導(dǎo)熱系數(shù)；T，溫度；x，坐標(biāo)值。（2）熱對流：在流體的場合，不僅會因熱傳導(dǎo)，而且也會由于流體的流動而引起熱的流動，即對流傳熱。熱對流時，對流換熱用Newton冷卻定律描述。，q，熱流密度；a，對流換熱系數(shù)；，流體的特征溫度；，固體邊界溫度。（3）熱輻射：在液體金屬等高溫物體的表面，主要是熱輻射傳熱。熱輻射時，輻射換熱用Stefen-Bolt-sman定律來描述。，q，熱流密度；，表面的熱力學(xué)溫度；，輻射黑度；，Stefen-Bolt-sman常數(shù)。傳熱分析的常用數(shù)值方法：有限差分法、有限元法、直接差分法、邊界元法（1

21、）有限差分法：其實質(zhì)就是將求解區(qū)域劃分為有限個網(wǎng)格單元，將微分問題化為差分問題，離散化得到差分格式，利用差分格式來求解相應(yīng)問題。用有限差分法求解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程（溫度隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場的導(dǎo)熱即為不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程）的步驟：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程所涉及的區(qū)域在時間和空間上進(jìn)行離散化處理；設(shè)定物性條件、初始條件、邊界條件；寫出單元差分格式；將求解的過程編成計算程序，由計算機算出結(jié)果，得到溫度場相關(guān)結(jié)果。（2）有限元法：其實質(zhì)就是將求解區(qū)域劃分為有限個單元，通過構(gòu)造插值函數(shù)，把問題化為一個變分問題（即求泛函數(shù)值的問題），經(jīng)過離散化得到計算格式，利用計算格式來求解相應(yīng)問題。求解步驟：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程所涉及的

22、區(qū)域在空間和時間上進(jìn)行離散化處理；設(shè)定物性條件、初始條件和邊界條件；寫出單元泛函數(shù)表達(dá)式；構(gòu)造每個單元的插值函數(shù)；求得泛函數(shù)極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式；構(gòu)造代數(shù)方程組；將求解的過程編成計算程序，由計算機算出結(jié)果，得到溫度場相關(guān)結(jié)果。有限元法具有很大的靈活性和適應(yīng)性，并且便于與應(yīng)力場進(jìn)行耦合計算，但數(shù)據(jù)準(zhǔn)備復(fù)雜、對硬件設(shè)備要求高。2、流動場模擬：利用流體力學(xué)原理，分析鑄件充型過程，從而優(yōu)化澆注系統(tǒng)、預(yù)測卷氣、夾渣等缺陷?；靖拍睿?）流體：一般情況下，是指一種在微小切應(yīng)力作用下會發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)。一般流體都有如下基礎(chǔ)屬性：在不受外力作用的情況下，流體沒有它自己的形狀。材料加工過程中遇到的絕大多數(shù)

23、流體都是滿足這一條件的牛頓流體。（2）恒定流動和非恒定流動。隨時間而變化的流動稱為非恒定流動；不隨時間變化的流動稱為恒定流動。具體是根據(jù)場合而定。如紊流問題，從微觀講是非恒定流動，但如果考慮某段時間的平均值的話，則可以當(dāng)作恒定流動。（3）層流和紊流：層流是流體的流線不相互摻混、井然不亂的一種流動方式；紊流是指流線相互摻混的一種流動方式。（4）粘性流和牛頓流體：具有粘性的液體的流動稱為粘性流，所謂粘性是指流體變形的時候產(chǎn)生的阻力或能量損失。如果阻力與變形速度成正比，這樣的粘性流體稱為牛頓流體，這個比例系數(shù)就是粘度。流動分析的主要方法：SIMPLE方法、MAC及SMAC方法、SOLA-VOF方法、

24、SOLAMAC方法、FAN方法、Finite Volume方法、格子氣模型。3、流動與傳熱耦合計算：利用流體力學(xué)與傳熱學(xué)原理，在模擬流動場的同時計算傳熱，可以預(yù)測鑄造充型過程產(chǎn)生的澆不足、冷隔等缺陷，同時得到充型結(jié)束的溫度分布。4、應(yīng)力場模擬：利用力學(xué)原理，分析鑄件的應(yīng)力分布，預(yù)測熱裂、冷裂、變形等缺陷。5、組織模擬：分宏觀、介觀、微觀組織模擬，利用一些數(shù)學(xué)模型，如monte carlo，計算形核數(shù)、枝晶生長速度、組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測力學(xué)性能。（1）材料加工領(lǐng)域的微觀組織模擬，主要是指在微觀的尺度（1微米0.1毫米）上對成形工件的溫度場、濃度場、形核、晶粒長大以及枝晶生長等變化過程進(jìn)行的計算機數(shù)值模

25、擬。微觀組織是決定工件力學(xué)性能和使用性能的關(guān)鍵因素，以往對于凝固組織的研究主要是采用試驗的方法，對不同條件下制備的試樣進(jìn)行金相檢驗，以得出其組織形成的規(guī)律性。這種方法雖然具有直觀性和可操作性，但費用高、工作量大，并且具有一定的盲目性。對合金凝固過程的微觀組織進(jìn)行數(shù)值模擬，可以在較少工作量的基礎(chǔ)上，預(yù)測工件微觀組織的形成，進(jìn)而預(yù)測工件的機械性能，獲得主要工藝參數(shù)與最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。（2）液態(tài)合金凝固過程的微觀組織模擬，分為三個層次宏觀尺度（1cm1m），液態(tài)金屬的流動與凝固可以用能量、動量及溶質(zhì)守恒方程來計算。微觀尺度（1m0.1mm），可以用相場等方法研究枝晶生長的動力學(xué)和凝固路徑

26、。相場模型綜合考慮了溶質(zhì)守恒方程和平衡相圖特征及固液界面的擴散機理。介觀尺度（0.110mm），介于兩者之間的是晶粒尺度模擬。（另有原子尺度，0.11nm），研究固液界面原子的擴散。（3）液態(tài)合金凝固組織模擬的數(shù)理基礎(chǔ)A、形核模型形核過程是液體中的游動原子集團(tuán)逐漸長大到一定尺寸并形成固體質(zhì)點（即穩(wěn)定的原子集團(tuán)）使周圍原子能向上堆砌的過程。晶體的生長是液相中原子向晶體表面堆砌的過程，也是固-液界面不斷向前推移的過程。晶體的生長主要受以下影響：界面前沿的溫度條件；界面的結(jié)構(gòu)；對合金而言，還與界面前的濃度及合金本身的性質(zhì)有關(guān)。目前存在連續(xù)形核模型、瞬時形核模型、準(zhǔn)連續(xù)形核模型三種。一般而言，對于具有

27、很窄結(jié)晶區(qū)間的合金，推薦使用瞬時形核模型，可以節(jié)省運算時間。但為了更準(zhǔn)確地反映實際情況，應(yīng)采用連續(xù)形核模型。B、生長模型固相晶核形成后，緊接著就是晶粒的生長過程。晶粒生長模型的建立主要是為了計算晶粒的生長速率，其基本理論仍然是基于與熱擴散和溶質(zhì)擴散相同的連續(xù)理論。由于共晶合金和枝晶合金的晶粒結(jié)構(gòu)不同，一個是等軸晶一個是柱狀晶，因此對應(yīng)有兩種不同的生長模型。（4）組織模擬的數(shù)值方法A、確定性模擬方法：依據(jù)經(jīng)典形核和枝晶生長理論，認(rèn)為型壁或液相中晶粒的形核密度和晶粒生長速度是過冷度的函數(shù)，并對晶粒形態(tài)進(jìn)行了近似處理，如將等軸晶視為球狀，柱狀晶視為圓柱狀等，忽略了枝晶的晶體學(xué)生長特征，著重于工件中的

28、晶?？倲?shù)、各區(qū)域的平均晶粒尺寸和平均二次枝晶臂間距的模擬。這種方法完全不考慮晶粒形核和生長過程中的一些隨機因素，所以從相同的初始條件開始計算會得到完全一樣的結(jié)果。B、隨機性模擬方法：采用概率方法來研究晶粒的形核和長大，包括形核位置的隨機分布和晶粒晶向的隨機取向，能實現(xiàn)動態(tài)顯示每個晶粒的具體形態(tài)及其生長演變。凝固過程中的傳質(zhì)過程以及能量和結(jié)構(gòu)起伏是隨機過程，因此采用概率方法來研究微觀組織的形成過程更能接近實際，隨機性模型比確定性模型更成熟。主要有Monte-Carlo方法和自動元胞機方法。C、相場法：是模擬凝固組織、界面形貌廣泛選用的方法。相場模型通過引入在界面處急劇變化但連續(xù)的相場變量（=1時

29、為固相，=-1或0時，表示液相），考慮有序化勢與熱力學(xué)驅(qū)動力的綜合作用來建立相場方程，其解課描述金屬系統(tǒng)中固液界面的形態(tài)和界面的移動，從而避免了跟蹤復(fù)雜固液界面的困難。此外，相場法通過相場與溫度場、溶質(zhì)場、流動場及其它外部場的耦合，在液態(tài)金屬凝固過程中有效地將微觀與宏觀尺度相結(jié)合。五、鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀1996年美國在下一代制造計劃(NGM)中就將建模與仿真作為10項關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。我國鑄造行業(yè)率先引入計算機技術(shù)的是鑄造過程數(shù)值模擬領(lǐng)域。沈陽鑄造研究所和大連工學(xué)院在這一方面做了開拓性的工作。1978年，在葛洲壩電站的水輪機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

30、展了鑄件凝固過程溫度場的計算機模擬。大連工學(xué)院的金俊澤等人對大型船用銅螺旋槳的凝固過程溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬。此后，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)、華北工學(xué)院都先后開展了溫度場模擬的研究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。此后，西安交通大學(xué)、清華大學(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。在鑄造充型過程的數(shù)值模擬方面，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，鑄造充型過程數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)比較成熟和完善，并進(jìn)入了廣泛的實用化研究階段。對于鑄造過程熱應(yīng)力模擬來說，目前處于理論研究階段，能夠準(zhǔn)確描述高溫狀態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變場的數(shù)學(xué)模型還沒有建立

31、，缺乏高溫狀態(tài)合金的物性參數(shù)也嚴(yán)重阻礙了應(yīng)力模擬系統(tǒng)的生產(chǎn)應(yīng)用。微觀組織模擬在20世紀(jì)90年代成為研究的熱點，一些研究對球墨鑄鐵、鋁合金等鑄件微觀組織形成過程進(jìn)行了模擬分析，取得了可喜的成果。但在實際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用還有很長的路要走。20世紀(jì)90年代鑄造數(shù)值模擬技術(shù)研究范圍有早期的普通重力鑄造發(fā)展到低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、實型鑄造、電磁鑄造、電渣鑄造甚至型砂緊實過程的數(shù)值模擬。這一期間另一大成就是溫度場、流動場以及流動與傳熱的耦合計算等技術(shù)進(jìn)入到了實用階段，出現(xiàn)了鑄造模擬商品化軟件系統(tǒng)?！捐T造數(shù)值模擬的應(yīng)用現(xiàn)狀】自從20世紀(jì)80年代中期以來，各國都對鑄件數(shù)值模擬開展了研究，舉行了很多相關(guān)

32、國際會議，也見到了大量的研究論文。據(jù)Jolly統(tǒng)計，已有36種相關(guān)軟件。但這不是一個全面的統(tǒng)計，未包括像中國等一些發(fā)展中國家的相關(guān)軟件。最著名的德國MAGMA公司的MAGMASOFT已經(jīng)在20多個國家300個鑄造企業(yè)中應(yīng)用，包括中國的9家鑄造廠。但購置軟件的切也只有很少部分的鑄件實用模擬軟件進(jìn)行分析?！救〉玫某删汀繌蔫T造的角度來講希望和要求模擬軟件可以預(yù)測所有的缺陷及其類型和位置，例如冷隔、澆不足、氣孔、縮孔、縮松、縮沉、夾渣、夾砂、冷裂、熱裂、應(yīng)力、變形、尺寸、微觀組織和性能。目前，已經(jīng)取得了相當(dāng)成就，許多軟件可以預(yù)測多種類型的缺陷和位置，并且朝著預(yù)測更多種缺陷的方向發(fā)展?！疚茨芷占暗脑颉?/p>

33、1）鑄造業(yè)本身的問題a.鑄造業(yè)對新技術(shù)跟進(jìn)的步伐較慢鑄造業(yè)作為一個產(chǎn)業(yè)，擁有數(shù)千年的悠久歷史，長期以來在沒有計算機和數(shù)字技術(shù)的情況成長和發(fā)展。雖然近些年許多鑄造設(shè)備應(yīng)用了計算機技術(shù)，提高了生產(chǎn)率和鑄件的精度。但總體上，鑄造產(chǎn)業(yè)對計算機和數(shù)字技術(shù)的需求，特別是工藝設(shè)計上不像其他產(chǎn)業(yè)那么強烈。b.鑄造生產(chǎn)過程控制不夠嚴(yán)格鑄造生產(chǎn)時，大多采用手工澆注，澆注時金屬流直徑、澆包包嘴到澆口盆距離及入流速度變化范圍大。雖然近些年鑄造廠對澆注溫度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，但有時實際的澆注溫度變化范圍仍可能在±20，這會給計算結(jié)果的精確性造成影響。另外，金屬液化學(xué)成分的變化，金屬凝固收縮特性的變化，造型材料性

34、能的變化，鑄型硬度的變化等都會對結(jié)果的精確性造成影響。如果沒有嚴(yán)格的生產(chǎn)控制，計算機模擬就難以有好的應(yīng)用結(jié)果。c.技術(shù)人員的培訓(xùn)和經(jīng)驗積累不夠模擬軟件可以用于改進(jìn)工藝設(shè)計，提高產(chǎn)量、成品率，但仍需要有經(jīng)驗的鑄造工藝人員來操作實用才能達(dá)到預(yù)期效果。因此對技術(shù)人員的培訓(xùn)和知識的不斷更新是必不可少的。此外堅持不懈地應(yīng)用、積累經(jīng)驗也同樣重要。很多企業(yè)缺乏有經(jīng)驗的鑄造工藝人員操作使用軟件，缺少必要的培訓(xùn)。認(rèn)為購置了模擬軟件就能立竿見影，提高產(chǎn)量和成品率是對模擬軟件的誤解。2）模擬軟件本身的問題模擬軟件未能滿足鑄造的需要，常常不能準(zhǔn)確預(yù)測缺陷及其位置。例如有些鑄件設(shè)計完工藝，軟件模擬顯示最火 凝固的位置在

35、冒口中表明鑄件中不會出現(xiàn)縮孔和縮松，實際生產(chǎn)出的鑄件還是有大約40%的廢品。加大冒口后，還是有大比例的廢品，實際上不能僅從加大冒口來解決，可以通過改變冒口頸形狀、減小冒口頸模數(shù)、加快澆注澆注速度方面綜合考慮。另外就是投資效益問題。不少軟件商宣傳說采用模擬軟件后由于減少廢品率，提高成品率，將很快得到回報，但廠家發(fā)現(xiàn)采用模擬軟件后并非很快得到效益的回報?！具M(jìn)一步研究和發(fā)展】為了滿足鑄造生產(chǎn)的實際需求，數(shù)值模擬要在以下幾方面進(jìn)一步研究和發(fā)展。1）鑄件凝固的物理模型和計算機數(shù)值解鑄件的成形是一個復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)物理和化學(xué)過程。其中有充型流動、傳熱、傳質(zhì)相變、凝固收縮等物理過程以及鑄件與鑄型相互作用的物理化

36、學(xué)過程。這些過程都要滿足質(zhì)量、動量、能量守恒定律。這些過程對數(shù)學(xué)模型的結(jié)果、鑄件的質(zhì)量并非有同等的作用，一些次要的過程必須忽略以使過程方程可以建立并求解。但對這些過程需要進(jìn)行評估以確定哪些必須考慮，哪些可以忽略，在這方面還需要開展進(jìn)一步的工作。對于充型完畢后凝固開始直至凝固完成期間的兩相流動問題還沒有物理模型加以描述。沒有直接描述凝固收縮過程的較好的物理模型，也沒有直接描述鑄件與鑄型相互作用的物理模型。即使有了合理的物理模型及正確的數(shù)學(xué)模型，還需要有一個獲得穩(wěn)定、可靠和正確的數(shù)值解的方法。目前的求解方法對傳熱方程可以取得相當(dāng)精確的結(jié)果，而對于充型過程所計算的精確性常受到限制。2）鑄件的三維成形

37、目前許多三維成形軟件未能完全精確地表示鑄件的形狀，特別是一些復(fù)雜的過渡曲面。這些地方或許對鑄件整體形狀尺寸影響不大，但對流動過程、凝固進(jìn)程有重要影響，因而影響模擬計算的結(jié)果。3）初始條件對很多情況，確定正確的初始條件并非一件容易的事。對于初始條件，一方面是要確定得盡可能準(zhǔn)確，另一方面要求生產(chǎn)過程控制嚴(yán)格使初始條件變化范圍較小。4）邊界條件邊界條件包括鑄件與鑄型以及鑄型與空氣之間的邊界條件。鑄型與外界空氣之間邊界條件相對比較容易確定，而鑄件與鑄型之間邊界條件就很難確定。例如在鑄造時鑄件和鑄型之間的間隙的變化可以從小逐漸增大，也可以從小增大再逐漸減小甚至為零（對鑄鐵在某些條件下）。一般都設(shè)定鑄件和

38、鑄型、鑄型和外界空氣之間的傳熱系數(shù)為定值。目前研究工作還在進(jìn)行，以期準(zhǔn)確測量鑄件和鑄型之間的傳熱系數(shù)。5）熱物性數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的熱物性數(shù)據(jù)（如材料的導(dǎo)熱性、熱容等）是模擬軟件鞥能夠準(zhǔn)確第模擬鑄件凝固過程的關(guān)鍵。而這些數(shù)據(jù)測量又非常困難，同時這些數(shù)據(jù)在凝固過程中是變化的。6）鑄件缺陷的預(yù)測及顯示到目前為止，凝固模擬尚未能真正顯示可能出現(xiàn)的缺陷。所計算預(yù)測的熱流，不同時間溫度場、應(yīng)力場的結(jié)果往往是通過各種經(jīng)驗判據(jù)公式來確定是否出現(xiàn)缺陷，或其他可視方法來顯示可能出現(xiàn)的缺陷及其范圍大小，或可能形成的微觀組織。鑄件缺陷的預(yù)測既受計算結(jié)果的準(zhǔn)確性的影響，也受經(jīng)驗判據(jù)公式的可靠性及適用范圍的影響。7）鑄造工藝的改

39、進(jìn)和優(yōu)化計算機只能預(yù)示可能出現(xiàn)缺陷及其位置，并不能告訴任何消除可能出現(xiàn)的問題的方法。解決這些問題還是需要有經(jīng)驗的設(shè)計人員來改進(jìn)設(shè)計。主流專業(yè)軟件介紹（了解主流軟件的名稱）CAE軟件是迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算機科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合，而形成的一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。CAE軟件的計算分析與模擬仿真能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫包含的單元類型越多，材料庫包括的材料特性種類越全，其對工程/產(chǎn)品的分析與仿真能力就越強。知名CAE軟件的單元庫一般都有百余種單元，并擁有一個比較完善的材料庫。CAE軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，主要決定于

40、解法庫；如果解法庫包含了各種不同類型的高性能求解算法，那它就會對不同類型、不同規(guī)模的問題，以較快的速度和較高的精度給出計算結(jié)果。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法相比，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計算機環(huán)境下運行。1）MAGMASOFT德國MAGMA公司開發(fā)的專業(yè)用于解決鑄件生產(chǎn)和模具設(shè)計問題的CAE軟件。支持從合金熔煉、鑄型制作、金屬液澆注，到冷卻凝固、鑄件熱處理，再到熔爐材料和熔爐修補等整個生產(chǎn)過程，適用于幾乎所有鑄造合金材料的成形（包括鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、鑄鎂等）。同時針對不同的鑄造工藝開發(fā)有專業(yè)技術(shù)模塊（如壓力鑄造、重力鑄造、傾轉(zhuǎn)澆注、半固態(tài)鑄造、離心鑄

41、造、消失模鑄造、應(yīng)力應(yīng)變分析、工藝優(yōu)化和連鑄生產(chǎn)線等）。在有限差分技術(shù)的支持下，利用經(jīng)典物理學(xué)方程對鑄造過程進(jìn)行了更加接近實際的描述，從而獲得準(zhǔn)確度極高的模擬結(jié)果，其分析計算速度也非?？臁Ｖ饕K：a.作業(yè)管理；b.前處理；c.充型分析；d.凝固分析；e.后處理；f.材料數(shù)據(jù)庫；g.多循環(huán)分析。2）ProCASTESI集團(tuán)所屬ProCAST公司（美國馬里蘭州）于1985年推出的鑄造過程模擬軟件。ProCAST為鑄造業(yè)提供整體軟件解決方案，可以進(jìn)行完整的鑄造工藝過程預(yù)測評估，包括充型、凝固、微觀組織以及熱力耦合模擬等。涵蓋了各種鑄造工藝和鑄造材料。主要功能模塊：a.重力鑄造砂型、金屬型鑄造、傾斜

42、澆注；b.熔模鑄造熔模鑄造、殼模鑄造；c.低壓鑄造；d.壓力鑄造；e.消失模鑄造；f.應(yīng)力分析模具壽命；g.反求工程；h.獨特第材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)求解器3）FLOW-3D美國流動科學(xué)公司（Flow Science. Inc）于1985年正式推出的三維計算流體動力學(xué)和傳熱學(xué)分析軟件。能夠很好第解決航天航空、金屬鑄造、鍍膜處理、消費品生產(chǎn)、微噴墨頭制造、海洋運輸、微機電系統(tǒng)、水力開發(fā)等諸多領(lǐng)域的工程應(yīng)用問題。特色：a.采用了一種網(wǎng)格與幾何體相互獨立的技術(shù)(自由網(wǎng)格法)； b.開創(chuàng)了真實的流體體積法(VOF)來跟蹤和處理流動前沿的推進(jìn)變化；c.提供三種計算方法(分離隱式、顯式和可改變方向的隱式算法)，支

43、持求解牛頓流體和非牛頓流體。d.包含有豐富而先進(jìn)的物理模型，內(nèi)置豐富的流體、固體材料庫，支持材料屬性的用戶自定義。e.支持對流、熱傳到、熱輻射等多種換熱方式。f.提供友好的用戶界面和二次開發(fā)接口。在金屬鑄造方面的應(yīng)用：a.可以準(zhǔn)確模擬鑄液的澆注過程，給出充型的速度場、壓力場、溫度場和自由表面變化，以及鑄型的溫度場。b.能精確描述凝固過程，又能評估加熱冒口和冷卻或加熱通道設(shè)計，給出宏觀變量表示的微觀縮松判據(jù)。c.可以模擬尺寸大小不限的金屬薄壁、厚壁零件的鑄造成型和砂型制造工藝中的氣流沖砂過程。d.在保證計算精度的前提下，允許單獨對凝固過程和澆注過程分別進(jìn)行模擬。4）JSCAST前身是SOLDIA

44、軟件，由小松軟件公司的長坂悅敬博士、村上俊彥聯(lián)合大板大學(xué)的大中逸雄教授共同開發(fā)。1996年企業(yè)版的JSCAST正式開始發(fā)行。2005年開始銷售中文版。JSCAST適用于高/低壓鑄造、砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、殼型鑄造、重力鑄造、傾斜鑄造、減壓鑄造、差壓鑄造、半固態(tài)鑄造等過程的動態(tài)模擬。JSCAST支持鑄鐵、鑄鋼、高錳鋼、不銹鋼、高溫合金、率合金、鎂合金、銅合金、鈦合金等鑄造材料，以及發(fā)熱、保溫、絕熱、冷鐵、冷卻水、空氣、加熱器、金屬模具、砂型(生砂、呋喃樹脂砂)、型殼（陶瓷、石膏）和型芯等輔助材料。JSCAST可以準(zhǔn)確地模擬型腔內(nèi)部金屬液的流動過程、型腔充滿后的凝固過程、流動與凝固過程中

45、卷氣和夾雜的形成、卷入、流動及在浮力/重力作用下的沉浮，以及凝固過程中的縮孔、縮松。JSCAST是完全基于Windows開發(fā)的。5）Anycasting韓國Anycasting公司自主研發(fā)的基于Windows操作平臺的金屬鑄造成形模擬軟件，于1990年正式推向市場。Anycasting可以仿真各種鑄造工藝過程中的充型、傳熱、凝固和應(yīng)力場等物理現(xiàn)象，預(yù)測鑄造缺陷與鑄件微觀組織。Anycasting的特色：a.基于Windows平臺，易學(xué)易用； b.求解器模型先進(jìn)，計算速度快； c.創(chuàng)新的充型和凝固缺陷預(yù)測模型及判據(jù)，使模擬結(jié)果更精確；d.完全面向鑄造工藝過程，參數(shù)設(shè)置方便，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)自動設(shè)置；

46、e.完全基于OpenGLDE 3D圖形功能支持動態(tài)剖面技術(shù)；f.自動變差分網(wǎng)格技術(shù)，劃網(wǎng)速度快；g.關(guān)系型材料數(shù)據(jù)庫支持80多種黑色金屬、100多種有色金屬和30多種非金屬，可自定義材料。h.后處理功能強大，多模型分析，完善的鑄件質(zhì)量評價體系，圖片、動畫自動輸出。Anycasting軟件安裝后包含5個部分：anyDBASE 數(shù)據(jù)庫，anyMESH網(wǎng)格劃分，anyPRE前處理，anySOLVER求解，anyPOST 后處理。6）華鑄CAE華鑄CAE(InteCAST)是華中科技大學(xué)研究開發(fā)的。該軟件一鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，可以完成多種合金材質(zhì)、多種鑄造方法下的鑄件凝固分析、流動分析以及流動和傳熱耦合計算分析。分析材料有：鑄鋼、球鐵、灰鐵、鑄造鋁合金、銅合金等。可分析的鑄造方法:砂型鑄造、金屬型鑄造、壓鑄、低壓鑄造、熔模鑄造等。經(jīng)過多年的努力，華鑄CAE已成為一個比較成熟的商品化、實用化、集成化鑄造工藝CAE系統(tǒng)。四、鑄造CAE