華鑄cae商品化軟件的三維可視化

華鑄cae商品化軟件的三維可視化

鑄造數(shù)值模擬是一個跨學(xué)科的研究領(lǐng)域。除了鑄造專業(yè)知識，它還涵蓋了數(shù)學(xué)、傳熱學(xué)、數(shù)值計算、離散方程、計算機(jī)設(shè)計等的知識。通過鑄件凝固過程數(shù)值模擬,可以預(yù)測和揭示鑄件成形過程中各方面的細(xì)節(jié)和軌跡,從而為改進(jìn)和優(yōu)化鑄造工藝提供決策依據(jù)。然而,數(shù)值計算得到的直接結(jié)果是關(guān)于鑄件澆注、凝固過程流動場、溫度場以及結(jié)晶相變等物理過程詳盡、完整的大量數(shù)據(jù),由于這些數(shù)據(jù)是基于四維時空的場物理量數(shù)據(jù),非常繁瑣和復(fù)雜,不經(jīng)過處理是無法識別的?？梢暬幚砭褪峭ㄟ^綜合、分析這些計算數(shù)據(jù),將其組織起來,清晰準(zhǔn)確地將虛擬的物理過程以可視的圖形、曲線、動畫等形式直接給用戶以視覺上的感受,從而為用戶發(fā)現(xiàn)缺陷、優(yōu)化改進(jìn)工藝提供直觀準(zhǔn)確的依據(jù)。但是,多年來對于鑄件凝固模擬的研究大多集中在數(shù)值求解的算法上,而在數(shù)值結(jié)果的可視化問題上開展的研究卻相對較少。鑄造凝固模擬軟件得以存在和發(fā)展的動力在于其在生產(chǎn)上能夠得到實際應(yīng)用,實際應(yīng)用就需要進(jìn)行商品化、實用化開發(fā),而商品化、實用化開發(fā)中很重要的部分就是數(shù)值結(jié)果的可視化。本文對華中理工大學(xué)開發(fā)的InteCast—華鑄CAE商品化軟件后處理模塊中實現(xiàn)模擬結(jié)果可視化的一些具體方法進(jìn)行介紹。1一些相關(guān)概念1.1y、z三軸旋轉(zhuǎn)時按通常的習(xí)慣,本軟件的顯示系統(tǒng)采用Z軸向上的右旋笛卡兒直角坐標(biāo)系統(tǒng),坐標(biāo)系xyz為固定在鑄件上的相對坐標(biāo)系,而絕對坐標(biāo)系XYZ則和顯示屏幕固定在一起(見圖1)。鑄件可以在相對坐標(biāo)系的帶動下作任意角度的旋轉(zhuǎn),其姿態(tài)由方位角α,俯仰角β,時針角γ來描述,旋轉(zhuǎn)的方法為鑄件繞X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)時,鑄???1000cosαsinα0?sinαcosα??????cosβ0?sinβ010sinβ0cosβ??????cosγsinγ0?sinγcosγ0001???(1000cosα-sinα0sinαcosα)(cosβ0sinβ010-sinβ0cosβ)(cosγ-sinγ0sinγcosγ0001)件上相對坐標(biāo)為(x,y,z)的點(diǎn),通過三個變換矩陣(見右)轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)下得到坐標(biāo)(X,Y,Z),沿著觀察視線(一般為絕對坐標(biāo)軸OX的逆向),將鑄件的三維輪廓平行地投影到Y(jié)OZ坐標(biāo)面,即屏幕的顯示平面上,就得到該點(diǎn)在投影面上投影的二維坐標(biāo)(Y,Z),其中Y是顯示屏的橫坐標(biāo),Z是顯示屏的縱坐標(biāo)。上式中α、β、γ分別為鑄件繞絕對坐標(biāo)系X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)角。這里需要說明的是,為了符合鑄造工藝的觀察習(xí)慣,一般鑄件的直澆道始終和OZ軸保持一致,即垂直向上,所以不提倡繞OX軸旋轉(zhuǎn)。1.2建立在幾何點(diǎn)上的含義鑄件凝固過程中的場物理量可分為標(biāo)量和矢量。標(biāo)量是場空間簡單的數(shù)值函數(shù),即場空間的每一點(diǎn)對應(yīng)一函數(shù)值,如溫度,壓力等。就屏幕顯示的原理而言,這種值與點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系恰好可以用屏幕上的象素點(diǎn)來組成圖形加以顯示和表達(dá)。本軟件就是通過不同的色彩來表達(dá)不同的值;而矢量不僅有大小,而且有方向,因此在數(shù)值的表達(dá)上需要三個分量,也就是空間的每一點(diǎn)對應(yīng)有三個函數(shù)值,對應(yīng)在幾何圖形上一般是以一條帶箭頭的幾何線段來表示,如溫度場的溫度梯度,流動場的速度等。根據(jù)計算機(jī)圖形學(xué),空間的幾何分布可以如實地按照三維空間變換和投影算法進(jìn)行表達(dá)。1.3有限單元的位置信息表現(xiàn)眾所周知,在機(jī)械類零件中,鑄件的形狀是最不規(guī)則的,一般的圖形系統(tǒng)在處理鑄件復(fù)雜的幾何輪廓上比較困難,但是利用有限差分技術(shù),可以方便且高效地解決鑄件的圖形顯示問題。鑄件凝固模擬一般多采用有限差分?jǐn)?shù)值算法(即FDM)求解,采用這種方法的好處在于剖分的所有網(wǎng)格單元的形狀和姿態(tài)的信息都是一致的,而且單元與單元間的位置關(guān)系也非常規(guī)則有序,每個單元上線和面的可見性以及單元序號的增減序列關(guān)系都和單元內(nèi)特定頂點(diǎn)間的位置關(guān)系有固定的相關(guān)性。這些特點(diǎn)使我們在進(jìn)行圖形算法的處理時,可以將問題簡化到一個基本網(wǎng)格單元內(nèi)的相關(guān)算法上,使復(fù)雜的幾何表達(dá)以一種非常規(guī)則、有序的方法得以實現(xiàn)。因為在差分計算前已經(jīng)對網(wǎng)格的單元物性屬性進(jìn)行了劃分,所以在后處理模塊中,鑄件復(fù)雜的幾何輪廓可以由規(guī)則有序的網(wǎng)格單元所屬的物性來表示。將所有物性屬于鑄件金屬材質(zhì)的網(wǎng)格單元集合起來,就構(gòu)成了鑄件。如果把所有單元的位置信息一一加以描述,就可以在屏幕上顯示出鑄件的幾何圖形。這種按物性劃分單元集合的顯示方法就是基于FDM的圖形方式。2溫度計算機(jī)軟件所有凝固模擬軟件的最終目的,是為了揭示在鑄造過程中,鑄型、鑄件內(nèi)部通常不可見的變化,預(yù)測可能出現(xiàn)的缺陷,直接為用戶的實際生產(chǎn)提供指導(dǎo)信息。通過計算得到的結(jié)果中,應(yīng)該包含流動場的速度、壓力、流量分布和液流對鑄型的沖擊力,溫度場任一單元和任一時刻的溫度梯度、溫度分布,鑄件鑄型的過熱情況,固液界面推進(jìn)的速度等。本軟件針對用戶的不同需要,提供了多種圖形表達(dá)方式:由溫度場數(shù)據(jù)處理,可以向用戶提供鑄件的液相分布圖、鑄件色溫圖、溫度梯度矢量圖和鑄型色溫圖;由流動場的數(shù)據(jù)處理,可以向用戶提供鑄件的體積填充圖、充型速度矢量圖和壓力分布矢量圖;由溫度場和流動場二者的耦合計算數(shù)據(jù),還可以向用戶提供鑄件的色溫填充圖。為了方便用戶觀察,本軟件還特別提供多種輔助觀察判斷工具,如三維切片顯示,自動繪制溫度曲線,自動孤立區(qū)搜索等。下面逐一介紹。2.1對不同屬性的表現(xiàn)有針對性地選擇顯示處于其中某一狀態(tài)的單元,而忽略另一狀態(tài),就能清晰地表現(xiàn)鑄件特定屬性的狀態(tài)分布,逼真地表現(xiàn)鑄件的充型過程和凝固相變過程,采用這種方式可以取得非常直觀的效果。曲軸鑄件(材質(zhì)為QT700-2,澆注持續(xù)時間為4.000391s)的色溫填充圖見圖2。2.2色標(biāo)的建立標(biāo)量場的特點(diǎn)是每一點(diǎn)對應(yīng)一數(shù)值(矢量場是一點(diǎn)三值),另一方面其值是連續(xù)變化的。所以采用每一點(diǎn)對應(yīng)一種顏色,而且顏色值可用連續(xù)變化的色標(biāo)度表達(dá)方式比較合適。鑄件的溫度場分布、壓力場分布一般采用色標(biāo)圖的形式表示。色標(biāo)取得合適時,溫度分布圖就成為很逼真的色標(biāo)分布圖。曲軸鑄件的色標(biāo)圖見圖3,鑄件材質(zhì)為QT700-2澆注持續(xù)時間為1091.704956s。2.3單元矢量分布對于流動速度、溫度梯度以及沖砂力之類的矢量,一般的表示方法是用一條帶箭頭的線段來表示,如果每個單元對應(yīng)一個矢量,那么矢量的數(shù)量會非常多,因此為了保證矢量圖形的可讀性,應(yīng)盡量避免各單元矢量間的交疊,實際應(yīng)用中,一般只顯示二維剖面上的矢量分布。曲軸鑄件的液相溫度梯度矢量分布見圖4,鑄件材質(zhì)為QT700-2,澆注時間為353.054077s。2.4用戶體驗本軟件提供自動繪制溫度模擬曲線的功能。通過選取鑄型和鑄件上用戶感興趣的點(diǎn),自動描繪出該點(diǎn)隨時間變化的溫度曲線,用戶可以得到自己關(guān)心的部位在澆注過程中詳細(xì)地溫度變化情況。曲軸鑄件的溫度曲線圖見圖5,鑄件材質(zhì)為QT700-2。2.5切片顯示工具上面顯示的圖形都是某個時刻鑄件或鑄型的色溫圖或矢量圖,雖然可以反映出一些外在可能的缺陷,但是由于顯示角度及鑄件外形的限制,可能有一些液相孤立區(qū)被隱藏起來,本軟件提供的切片顯示工具就是針對這種情況設(shè)計的,切片顯示工具可以從X、Y、Z三個方向?qū)﹁T件、鑄型進(jìn)行切片顯示,十分有利于發(fā)現(xiàn)鑄件可能存在的縮孔、縮松等缺陷。機(jī)體鑄件的切片顯示圖見圖6,圖中為從X方向剖切,澆注持續(xù)時間為420.060352s。2.6液相完成工藝方案如果鑄件在凝固的過程中出現(xiàn)液相孤立區(qū),那么意味著可能有縮孔、縮松的缺陷存在。如果有較多的孤立區(qū)存在時,用戶可能希望知道這些孤立區(qū)的詳細(xì)的數(shù)據(jù),本軟件可提供液相孤立區(qū)自動搜索工具,單獨(dú)顯示和統(tǒng)計出這些孤立區(qū)的大小,加以編號,并以不同的顏色顯示。用戶可以選擇顯示想要觀察的孤立區(qū)的范圍,并且可以得到每一個孤立區(qū)相關(guān)的體積、重量等詳細(xì)的統(tǒng)計數(shù)據(jù),從而為用戶修改工藝方案提供科學(xué)的依據(jù)。圖7為模擬柴油機(jī)機(jī)體時孤立區(qū)搜索圖。3動態(tài)畫面設(shè)計鑄造的澆注、充型和凝固是一種過程,鑄件的缺陷大都是在這個過程中形成的,是在運(yùn)動中不停地變化的,所以如果僅僅由靜止的三維圖片來反映,顯然是不全面的。通過將一幅幅靜止的色溫圖或矢量圖按照其時間上產(chǎn)生的順序加以合成,就可以得到生動的凝固過程動畫,通過凝固模擬動畫,用戶就可以清晰地跟蹤整個過程,直觀地觀察鑄件內(nèi)部的溫度場和流動場的變化,透視內(nèi)部孤立液相區(qū)的形成過程,判斷鑄件中可能發(fā)生縮孔縮松的部位;觀察充型流動中液流對鑄型的沖擊以及液流本身的渦流、波動,預(yù)測可能出現(xiàn)的卷氣、夾渣等缺陷。理想的動畫是讓靜止的畫面隨著數(shù)據(jù)流的讀取同步地進(jìn)行顯示。但對于鑄件物理場的表達(dá),這種實時方式的動畫在目前計算機(jī)的硬件水平下是很難實現(xiàn)的,而且也沒有必要這樣做。本軟件提供的是AVI動畫方式,其工作原理是先生成一系列靜態(tài)的畫面,再將這些畫面按發(fā)生的進(jìn)程壓縮合成為一個動畫數(shù)據(jù)文件,最后用演示工具將