铸造CAE集成技术研究综述

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铸造CAE集成技术研究综述

作者：管理员    发布于：2016-03-14 13:58:45    文字：【】【】【】

摘要：

　　铸造是生产机械产品毛坯的重要方法，在国民经济中占有重要地位。铸造企业面临着日益激烈的竞争和严峻的挑战。

　　传统的试错法铸造设计、生产方式已不能适应市场对企业的要求铸造企业必须变革传统的生产方式、引进新技术、新方法。

　　随着计算机技术的发展，计算机的应用几乎渗透到铸造生产的各个环节。

　　1992年，美国国家先进金属加工技术中心在并行工程的思想基础上提出了产品与工艺并行设计（RP2D――Rational Product/ProcessDesign）方法u」，并应用于铸件的产品与工艺研究，为促进铸造企业的技术改造和进步带来了全新的活力其中铸造过程计算机模拟及优化技术（简称铸造CAE技术）是此系统屮的关键技术。

　　铸造CAE技术可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力，是改善企业T（上市时间）、Q（质量）、C（成本）、S（服务）的必要手段，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。

　　铸造CAE技术的应用在国内外己越来越受到重视。近五年来美国铸造工业采用铸造CAE技术以指数曲线的速度迅速增长。欧洲及日本已有约10%的铸造工厂采用这项技术，英国铸造业为提高国际竞争力最近向企业提出了多项要求，其中明确提出了“无模拟则无销售”的原则。工业发达国家在铸造CAE技术的研究与开发方面投人的费用已超过数千万美元，相继开发出了一枇实用化商品化软件包，但价格昂贵。近些年国内铸造企业对铸造CAD/C.AE技术也日益重视。国内有多家院校与研究所，如清华大学、华中理工大学、华北工学院、沈阳铸造研究所等单位对铸造CAE技术也进行f研究。

　　铸造C.AE集成技术是一项多学科并存的综合技术。涉及信息科学、材料科学、工程力学、计算机图形学和铸造工艺学等。铸造CAE集成技术集前处理、工程数据库、充型及凝固过程数值计算、应力计算、微观组织模拟、缺陷预测、后处理显示技术为一体。国内外铸造研究者在这些方面做了许多卓有成效的研究工作。

　　1-1前处理技术铸造CAE经历了从二维，准三维至真三维的过程，三维实体建模是铸造三维CAE集成技术的基础。目前国内铸造CAE软件三维造型都依托于国外三维造型软件进行三维实体建模，国外铸造CAE专用软件有的虽有三维建模功能，但总体来说功能较弱。国外有一批三维造型功能很强的软件如IDcas，Pro/E.Solidwork等。目前普通采用的方法是通过数据交换文件实现与铸造C.AE专用软件的集成。为了实现不同CAD软件间进行产品数据交换，不同CAD软件使用了统一徐宏：男，1971年生，博士从事计算机在铸造中应用研究通信地址：山西太原华北工学院铸造工程研究中心CAD系统与铸造CAE系统的接口。

　　网络剖分技术是铸造CAE中前处理技术的重要组成部分。网格自动剖分主要分为有限元网格及有限差分网格。目前国内外大多数铸造CAE软件都基于有限差分。一般都基T STLJGES或DXF文件进行研究。

　　的系统集成成为当今科技界的热门研究课题。IGES、STL等图形交换文件只具备几何信息，已逐渐不能适应系统集成的需求，STEI）（StandardforExchangeofProductModelData）标准由于覆盖产品全部信息，这种格式能完整地无二义性表达产品信息并独立于要处理这种格式的软件。STEP作为数据交换标准己成为今后集成技术发展的趋势。

　　1.2后处理技术后处理技术也称科学计算可视化技术，是随着计算机图形学的发展而发展的。先进的后处理技术是铸造CAE软件实用化的体现和保障。科学计算可视化（VisualizationinScientificComputing简称VISC）是1987年由B.H.Maccormick等为美国国家基金会所写的一份报告中首次提出来的M，它是利用计算机图形学技术帮助科学工作者洞察他们的数据。Vise的研究领域中最活跃的是三维数据场的可视化技术。

　　三维数据可视化技术是最近十年逐步发展起来的。基本的可视化算法根据显示不同可分为两类：面绘制技术（SFSurfaceFitting）和直接的体绘制技术（DVR―DirectVolume Rendering）。开发生成高质量、高速度的图形显示系统一直是三维图形研究者努力的目标。

　　的出现在vise中发挥r其独特的优势m.它是一个性能￠：越的三维开放图形库，它独立于窗口系统和操作系统，在高级图形技术上表现异常优越，它包括建模、变换光线处理、色彩处理、动画等、为实现逼真清晰的三维绘制效果提供r好的条件，在铸造CAE后处理显示技术中越来越被重视。国内肀屮理工大学、中科院金属研究所、华北工学院已经对此进行研究和开发。

　　1.3铸造过程温度场和流场数值模拟铸件凝固过程温度场模拟可以追溯到20世纪40年代。

　　综观凝固数值模拟的发展过程可以看到，铸件凝固过程数值模拟可分为三个阶段：第一阶段，凝固模型主要以经典传热理从宏观的尺度（mm级）研究铸件凝固过程；第二阶段，凝固模型建立在第一代模型基础上，考虑凝固动力学因素，从微观尺度（Mm级）模拟固液界面现象，其预测的根据则完全涉及凝固组织特征、组织转变、铸态组织特点以及对缩孔缩松的预测等；第三阶段，凝固数值模拟从原子尺度（rnn级）上描述同液界面现象，其预测的根据完全建立在基础理论的研究上。目前，第一阶段的研究已经比较成熟，第二阶段的研究也取得了进展。第三阶段的凝固数值模拟研究由于算法和实验验证的困难，目前还处于基础理论的研究阶段。

　　相对于温度场模拟，流动场的模拟出现相对较晚。这是由于充型过程的计算机模拟是一个相当复杂的数值计算问题。

　　真正意义上铸件充型数值模拟始于80年代初期。1983年，中国台湾学者W.S.Hwang在匹兹堡大学与R.A.Stoehr教授首先将计算流体力学引入铸造充型过程数值模拟，模拟了液态金属流入一矩形型腔和阶梯式垂直型腔的充型过程〃1，开辟了充型过程研究的新领域。1984年美国学者P.V.Desm研究了强制对流条件下内浇道中液体的温度分布，用涡流函数法计算f热对流对温度场的影响，首次将充型过程中的流动现象与传热现象结合起来m.1987年，在丹麦科技大学的中国访问学者王君卿将二维SOLA―VOF发展成三维计算程序。并加入三维传热计算。1989年，H.J.Lm和W.S.Hwang―起开发出了三维充型数值模拟软件，把MAC和SOLA法结合在一起研究三维流动问题。之后，充型模拟基本进入三维问题。1988年以前，人们对带传热的铸造充型问题研究很少。1988年H.J.Lm和W.S.Hwang在流体计算中引入f能量守恒方程，进行了流场、温度场的二维耦合模拟。

　　1992年，G.Upadhya和A.J.Paul等将充型过程流体流动、传热及凝固过程结合为一个整体进行数值模拟1M.1993年，S.B.Kim等提出了考虑枝晶间液体流动的缩松预测判据（》（TVu〃），但由于该U（枝晶间液体流动速度>较难确定，因此在使用上有困难。考虑其影响，许多学者把凝固的热状况、枝晶间液体流动和气体析出结合起来对预测进行广泛研究。目前对缩松预测的研究可分为二类：①缩松形成主要归结为凝固过程中固液区收缩相关的补缩问题所致。②主要归结为补缩不足、气体滞留、夹杂物、凝同机理、宏观偏析共同作用所致。

　　最近研究指出，晶粒细化、精炼对缩松形成也有较大影响。固液区的宏观组织的结晶取向，比如柱状枝晶会降低缩松形成的可能性。

　　总之，合金的缩孔缩松涉及到合金性质、温度梯度、凝固速度、含气量等众多因素，这些因素相互之间相互作用，因此缩松缩孔的预测的研究仍在继续进行中。

　　充型过程流场计算所求解的控制方程有拉格朗日方法和欧拉方法两种方法。拉格朗日法具有计算公式简单、自由表面易于确定的优点，但由于质团的运动会导致网格的缠结、扭曲，因而需要不断地重新进行网格剖分，导致计算量大。因此，只能用在二维及简单三维形状的流体计算中。欧拉法使用方便，计算量小，因而在计算流体力学领域得到广泛应用。下面从流场计算方法和充型过程自由表面处理两方面分别加以评述。

　　①速度场和压力场的求解目前流场速度场和压力场的求解方法主要分为MAC类方法、SIMPLE类方法以及SOLA法三种。

　　MAC法是1965年美国LosAlamos实验室的Harlow和Welsh提出的求解压力连续方程的半隐式方法。该法主要特点是压力场和速度场同时迭代，计算速度较慢，另外对带有自由表面的流动则处理不太方便。

　　SOLA方法是由LosAlamos实验室的C.W.Hirt和B.D.N1Chols于197S年提出的一种算法提出了一种压力修正方法，在SOLA法迭代减慢时，用较为准确的压力猜测值可以加快迭代收敛的速度。加快计算速度是目前流场模拟领域的一个热点。

　　铸造过程是带有自由表面的流动问题。这类问题的难点之一就是确定自由表面的位置和形状。目前用T处理这一问题的方法主要有：MAC法、守恒标量法及体积函数（VOF）法。

　　MAC法在处理自由表面时施加了大量粒子，计算及存储这些粒子的位置不仅占用巨大内存，而且增加了计算时间，已经逐渐不被采用。

　　（VOF-VdumeofFlmd）。VOF法的提出是自由表面处理方法的一重大突破。VOF法中流场计算只在液相中进行，方程求解必须采用施主-受主格式（AcceptorandDonor），否则会导致物理现象失真。原始的VOF法采用的施主-受主法对三维计算不太适合1221，计算过程中会出现某些数值错误，必须采取一定的方法修正。

　　的，它米用一个守恒标量函数中来确定自由表面，守恒标量法中流场的求解是在包含气相在内的全域内求解，这样就避免了施加自由表面边界条件，毋需确定0由表面取向。对紊流自由表面流动的模拟尤其有利，但此法加大了计算的工作量。

　　在自由表面处理上近些年国内外学者做了大量的改进工作，中国台湾学者W.S.Hwang提出将表面单元及其周围空单元可能的64种分布减少到24种，从而简化了计算。丹麦技术大学的Xue和P.N.Hansen提出一种所谓的三维施主-受主格式（3D-Acceptor-Donor）以进行三维充型过程的数值模拟。日本东北大学的新山英辅、英斋浩一提出了一种0适应压力迭代法（AdaptivePressureIteration）231，并将VOF方法中的压力边界条件进行了简化。

　　总之，对流场数值模拟在数学模型的有效性、适用性和求解的准确性等方面，仍需做大量的研究工作。

　　1-4铸件热应力场数值模拟铸件热应力场数值模拟起于20世纪60年代。近十几年随着凝固温度场模拟的基本成熟，，凝固过程热应力场数值模拟得到了快速发展。国外一些铸造分析软件如MAGMA、Procast具有专门应力分析模块。国内铸件热应力模拟研究一般都基于国外通用工程有限元分析软件，如ANSYS、r-DEAS.这些分析软件提供了热弹塑性模型等多种一般材料力学模型，可以进行一定程度的凝固过程应力模拟。但这些软件没有专门针对铸件凝固过程中的传热模型和应力应变本构关系模型。没有提供描述准固相区的应力应变本构关系模型，因此对铸件热应力模拟带来较大误差。对这些通用工程分析软件进行二次开发使之更适合铸件凝固应力模拟是目前国内研究热点。国内开发铸件凝固应力模拟专业自主版权实用化软件基本还处于研究阶段。

　　1.5铸件凝固微观组织模拟随着铸件宏观模拟的日趋成熟，铸件凝固微观组织模拟已经成为当前材料学科的研究热点。通过模拟可以预测铸件微观组织形成，进而预测力学性能，最终控制铸件质量。微观模拟虽然是个较新的凝固模拟研究领域，但也已经取得了显著的进展。铸件微观组织模拟最早开始于1966年，美国Oldfield首先指出了铸件凝固过程宏观温度场基础上将传热方法中的热源顶表示成形核率和生长速度的函数，从而获得能反映铸件凝固组织形成过程的模拟结果的基本思想。其后国外许多学者分别对共晶合金、枝晶合金的凝罔组织模拟进行研究，预测铸件中的二次枝晶间距（CAS）和铸件抗拉强度（UTS）的关系。国外已经提出了很多方法和模型来预测共晶合金和枝晶合金的形核和长大过程。目前微观组织模拟方法有确定性方法（deterministicmodeling）、随机性方法（stochsticmodeling）和相场方法（phasedieldmethod）。研究微观组织模拟主要应用确定型模型，如等轴晶模型、Fe -C合金固态相变模型、包晶转变模型等。这些确定型模型适用于大多数工业合金=近10年来，国外铸件微观组织模拟取得了显著进展，在确定型模型基础上进一步考虑了随机因素的影响，诸如晶核的位置和晶体取向等，从而可对一系列重要现象进行模拟，例如柱状晶和等轴晶的择优生长，晶体结构柱状晶向等轴晶的转变等。美国著名的铸造软件Procast就能模拟确定型和随机型模型的显微组织，从而预测机械性能的优劣。

　　近些年国内也形成了一支强大的铸件微观组织模拟研究力量，如清华大学、沈阳铸造研究所、大连理工大学等单位在微观组织模拟研究方面都取得了较大的成果。

　　1.6铸造工程数据库技术铸造CAE集成技术中工程数据库技术是确保CAE计算精度及实现软件实用化、商品化的一项重要技术。数据库技术是计算机科学领域的一个重要分支，它始丁+20世纪60年代末，其发展迅速，应用范围广，在计算机辅助技术、人工智能和专家系统等领域，其重要性更加突出。工程数据库的建立和应用已成为CAD/CAE领域的一个核心问题。

　　铸造CAE中涉及到大量的数据处理和计算，原始的用文件管理和处理难以满足铸造CAD/CAE/CAM―体化技术的要求。铸造CAE工程数据库必须具有以下特征：①大量；②持久；③可靠；④共享。采用工程数据库技术具有如下特点：①数据的结构化；②数据冗余度小；③具有较高的数据和程序的独立性；④统一的数据控制功能。随着数据库技术的发展，铸造CAE技术中文件管理系统日益显示出劣势，同时也是阻碍铸造CAE集成技术实用化商品化的因素所在。因而开发更好的具有数据共享、数据独立、集中管理以及安全性、一致性、并发性控制功能的铸造工程数据库已成为铸造CAE技术中的重要课题。

　　2结论铸造CAE集成技术是国际公认的先进制造科学的前沿领域及使用技术，是提高铸造企业生产水平和竞争力的重要方法，是铸造企业以高新技术改造传统生产方法的有利手段，是铸造工艺由“经验”走向“科学”的重要途径，对推动铸造技术进步具有足轻重的作用。开展以集成化、实用化及自主版权为目标的铸造CAE集成技术研究是非常必要和急迫的。高功能、高保真、高效率的多学科铸造宏观/微观建造与仿真已经成为重要的研究发展方向。

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