液态成型充型过程数值模拟仿真技术

合集下载

仿真技术在承液盘冲压成形优化中的应用

冲压仿真技术是利用ＣＡＥ软件数字模拟实际试模过程，获取钣金件冲压成形结果，解决出现的起皱、拉裂、回弹等问题，缩短产品开发周期，降低开发成本，提升钣金件成形质量。冲压仿真技术可输出零件的变形过程，及成形后的成形极限图、厚度分布图、应力应变云图等仿真结果，可较完整及有效地评价零件结构钣金成形的可行性。
（４）应变云图：分为主应变云和品设计、产品工艺等多个环节普及应零件的变形情况。
用，嵌入到产品研发流程中，提升产品品质、缩短产品研发
本文中主要以成形极限图和厚度分布图作为结果分析
周期，减少产品研发成本。
术优化设计，输出可行性方案。
小炉头承液艋结构，初选材料为ｓｕｓ４３０不锈钢，成形工艺分
６８
别为拉深一一冲孔一一裁剪，但在模具拉深试模时，发生零件严重破裂现象，如图３为试模冲压成形件，其中小凸包两侧倒圆角（后文巾称为凸耳）位置局部发生开裂；故采用仿真技术模拟零件拉深冲压过程，分析零件成型破裂的原因，并在零件结构、冲压工艺、零件材料等方面进行优化设计及仿真验证，输出可行性优化方案
考汽车行业的成功经验，尝试引入冲压仿真技术，对冲压过菜、煲汤或烧水时，可以承接溅出来的菜、汤、水，避免影响程中的关键工艺进行先期仿真分析，输出可行性方案后，再燃气的正常燃烧，并便于清洁。承液盘一般由金属薄板材料
如果您对本文内容感兴趣清联系作者陈小润
ｃｈｅｎｘ［ａｏｒｕｎ１９８４＠１２６ｃｏｎ
进行试模，减少以往经验模式中的试模反复次数。本文中，加工而成，常用的材料有ｓｕｓ４３０、ｓｕｓ２０１等不锈钢材料，常采

数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展资料

数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。

最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。

关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件The Application of Numerical Simulation in Mold Fillingand Solidification ProcessAbstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly.Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software1 前言铸造过程就是将高温的液态金属浇注到封闭的型腔中，通过充型和凝固过程最终获得所需形状铸件的热成形过程。

计算机在材料科学中的应用

计算机在材料科学中的应用李伟(湖北财税职业学院信息工程系武汉430064)摘要介绍计算机技术在材料科学研究中应用领域。

探讨计算机在材料科学研究领域中的具体应用。

借助于计算机可推动材料研究、开发与应用。

关键词计算机技术材料科学应用1 引言计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形工艺领域。

计算机模拟技术在材料成形加工中的应用,使材料成形工艺从定性描述走向定量预测,为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案,从传统的经验试错法,推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段,对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有重要的意义。

计算机模拟是未来材料成形制备工艺的必由之路,其发展趋势是多尺度模拟及集成。

2 计算机在材料科学中的应用领域2. 1计算机用于新材料的设计材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能,或者通过理论与设计来“订做”具有特定性能的新材料,按生产要求设计最佳的制备和加工方法。

材料设计按照设计对象和所涉及的空间尺寸可分为电子层次、原子/分子层次的微观结构设计和显微结构层次材料的结构设计。

材料设计主要是利用人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术,将物理、化学理论和大批杂乱的实验资料沟通起来,用归纳和演绎相结合的方式对新材料的研制作出决策,为材料设计的实施提供行之有效的技术和方法[ 1 ] , [ 3 ] 。

2. 2材料科学研究中的计算机模拟利用计算机对真实系统模拟实验、提供模拟结果,指导新材料研究,是材料设计的有效方法之一。

材料设计中的计算机模拟对象遍及从材料研制到使用的过程,包括合成、结构、性能制备和使用等。

计算机模拟是一种根据实际体系在计算机上进行的模拟实验。

通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较,可以检验模型的准确性,也可以检验出模型导出的解析理论所作的简化近似是否成功,还可为现实模型和实验室中无法实现的探索模型做详细的预测并提供方法。

充型过程的数值模拟技术

收稿日期：０６０ — ９２０— ８２
拟在球墨铸铁铸造工艺设计中的应用进行了研究。
荆涛、柳百成用ＳＬ — ＯＯＡＶＦ法对充型过程进行了模
拟，并研究了充型过程对浇注完成后铸型内初始温度场的影响。袁浩扬等人以ＳＬ — ＯＯＡＶＦ法为基础，结合他们提出的三维自由表面边界速度确定方法．
．
Ａｎｉｔｏｕｔｎｗｓｍａｅｉｈｓａｔｌｏｔｅｄｖｌｐｎｒｃｓｆｔｉｔｃｎｑｅｍａｈｍａｉａｄｌｎｒｄｃｉａｄｎｔｉｒｃｅｔｈｅｅｏｍｅｔｐｅｓｏｈｓｅｈｉｕ，ｏｉｏｔｅｔｌｍｏｅ，ｃｃｌｕａｉｎｍｅｈｄａｄｔｅｆｅｓｒａｅｄａｉｇｍｅｈｄＴｅｐｂｅｘｓｉｇｉｕｒｎｅｅｒｈｓｗｅｅａｓａｃｌｔｔｏｎｈｒｕｆｃｅｌｔｏ．ｈｒｌｍｓｅｉｎｎｃｒｅｔｒｓａｃｅｒｌｏｏｅｎｏｔ
ＮｕｒｃｌＳｍｕａｉｎＴｅｈｉｕｆＭｏｌａｇＰｒｃｓｍｅｉａｉｌｔｏｃｎｑｅｏｕｄｔｍｎｏｅｓ
ＺＡＧＳｕｊａＨＯａＹＮＧＪｇ，ＯＨｎ — ｕ。ＨＮｈ－ｕｎ，ＵＨｕＡｉ￣ＭＡｏｇｋｉ，ｎ（．ｏｅｅｏｌｃｏｉｎｏｐｔｒＳｉｎｅａｄＴｃｎｌｙＮｎｎｖｒｉｆＣｉａＴｉｕｎ００５，１ｌｇｆｅｔｎｃａｄＣｍｕｅｃｅｃｎｅｈｏｇ，０ｈＵｉｓｙｏｈｎ，ａａ３０１ＣｌＥｒｓｏｅｔｙ

液态金属加工的数值模拟与实验研究

液态金属加工的数值模拟与实验研究液态金属加工是一种重要的金属加工方式，具有高效、灵活、节能等特点。

尤其对于高强、高韧、高温等难加工材料，液态金属加工更是发挥了其独特的优势。

然而，由于液态金属加工过程的复杂性，其加工效果和机理难以直接观测和验证。

因此，数值模拟和实验研究成为液态金属加工的重要手段。

一、液态金属加工的数值模拟液态金属加工的数值模拟通常基于有限元方法，以三维模型为基础，进行数值模拟与计算。

其主要包括物理方程的建立、边界条件的设置、运动学和动力学方程的求解等步骤。

液态金属加工过程中，流体的运动方程和力学方程是数值模拟的核心。

这些方程需要根据实际情况进行简化和修正，以保证数值模拟结果的准确性和可靠性。

在数值模拟过程中，建立准确的液态金属模型对于正确的模拟结果至关重要。

模型建立需要包括材料的物理力学特性、界面行为等因素。

同时，应考虑到加工过程中的热量传递、相变、流动等复杂因素。

液态金属加工的数值模拟可以优化加工参数，提高加工效率和产品质量。

以金属疲劳试验为例，通过数值模拟，可以预测试样的应力应变状态和裂纹扩展速率，从而减少实验次数和成本。

此外，数值模拟还可以揭示液态金属加工的物理机理，有助于深入理解加工过程的本质，为进一步改善加工过程提供理论基础。

二、液态金属加工的实验研究液态金属加工的实验研究是数值模拟的重要补充。

实验可以直接观测加工过程中的流动、形变、残余应力等特征，对数值模拟结果进行验证和修正，提高模拟的可靠性和准确性。

同时，实验还可以探究新的加工方法和工艺，为液态金属加工的进一步发展提供更广阔的空间。

液态金属加工的实验研究涵盖了很多方面，例如流经、板类加工、注射成形、疲劳性能等。

其中，液态金属注射成型是目前较为成熟的液态金属加工技术，通过实验研究，可以优化注射成型的工艺参数，提高制品的质量和性能。

例如，杨氏模量、泊松比、硬度等物理性能。

液态金属加工的实验研究需要严格控制加工过程中的温度、压力等参数，以确保实验的准确性。

铝合金汽车顶盖充液成形的数值模拟

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｉｎｔｏｔｈｅＨｙｄｒｏｆｏｒｍｉｎｇｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
ＲｏｏｆＣｏｖｅｒ
ＬＡＮＧＬｉ — ｈｕｉ，Ｙｏｎｇ－ｋｕｎ，ＣＨＥＮＹａｎｇ－ｋａｉ，ＷＡＮＧＹａｏ，ＳＵＮＺｈｉ－ｙｉｎｇ
第９卷
第３期
精
密
成
形
工
程
１３
２０１７年０５月
ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＮＥＴＳＨＡＰＥＦＯＲＭＩＮＧＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
铝合金汽车顶盖充液成形的数值模拟
郎利辉，巫永坤，陈杨锴，王耀，孙志莹
（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１００１９１）
ｆｏｒｃｅ，ｄｒａｗｂｅａｄ，ａｎｄｂｌａｋｎｓｈａｐｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｏｍｉｒｎｇｐｒｏｃｅｓｓｈａｖｅａｇｒｅａｔｅｒｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｆｏｍｉｒｎｇ．Ｔｈｅｃａｖｉｙｔｐｒｅｓｓｕｒｅｓｈｏｕｌｄｎｏｔｂｅｐｒｅｍａｔｕｒｅｌｙｌｏａｄｅｄ．Ｅｘｃｅｓｓｉｖｅｃａｖｉｙｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｒｅｘｃｅｓｓｉｖｅｂｌａｋｎｈｏｌｄｅｒｆｏｒｃｅｉｓｎｏｔｃｏｎｄｕｃｉｖｅｔｏｈａｖｉｎｇｆｕｌｌｐｌａｓｔｉｃｄｅ —

液态成型充型过程数值模拟仿真技术28页PPT

45、法律的制定是为了保证每一个人自由发挥自己的才能，而不是为了束缚他的才能。—— 罗伯斯庇尔
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学，如日中之光；志而好学，如炳烛之光。 ——刘向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好的教师是幸福，不如说好的教师是不幸。 ——海贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦。——杰纳勒尔·乔治仿真技术
41、实际上，我们想要的不是针对犯罪的法律，而是针对疯狂的法律。 ——马克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就像影子跟随着身体一样。— —贝卡利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进步。— —杰弗逊 44、人类受制于法律，法律受制于情理。— —托·富勒

液态成型

目前在国内常见的铸造CAE系统包括德国 MAGMA、法国的PROCAST、瑞典的 NOVACAST以及国内华中科技大学的“华铸CAE”、清华大学的“铸造之星”等。下面以“华铸CAE'’为例来说明铸造凝固模拟 CAE技术的实际应用。

(三)液态成型CAE的新进展作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。目前液态成型复杂多相流模拟、氧化夹杂过程模拟、造型／制芯过程模拟、消失模成形过程模拟、半固态成型模拟以及微观过程数值模拟等是液态成型模拟领域的研究前沿和热点。

铸造过程数值模拟技术(CAE)经过了40年的发展历程，其间，从简单到复杂，从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的推动下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。

1．复杂多相流模拟多相流是指两种或两种以上的流体同时存在，每相都具有自己的流场但又相互影响的流动。铸造过程的流动实际上就是典型的多相流动，不仅仅只有液相，还包括气相和固相。具体说来，液态金属为液相；卷入性、析出性气体为气相；氧化夹杂、冲掉的砂粒是固相。因此从理论上讲，欲准确模拟铸造的充型过程，就必须研究多相的流动，例如卷气、氧化夹杂、砂型冲蚀、压铸过程的排气等的计算分析都离不开多相流的模拟。复杂流动是指真实的铸造流动是具有紊流、表面张力、自由表面、相变、热交换等众多影响因素的复杂流动，考虑了这些影响因素的模拟结果将更接近真实的铸造过程。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

SIMPLER法是对SIMPLE法的改进。求解压力场和速度场的另一种迭代方法是美国LosAlamos实验室的研究人员提出的SOLA (Solution Algorithm)方法，目前铸件充型过程流场数值模拟常采用这种方法。
上述方程的离散现已发展了许多类型的高精度格式，如T.Hayase等人研究开发了QUICK差分格式，QUICK差分格式比中心差分和混合差分有更高的精度和数值稳定性。离散方程的求解方法较多，大多数是通过迭代进行求解，主要的方法有SOR(Successive Over-Relaxation)、GaussSeidel, Jacobi和PCGM等。
铸造过程数值模拟仿真是利用数值分析技术、数据库技术和可视化技术，并结合热传导、流动及金属凝固理论对铸件成形过程进行仿真，以模拟出铸件充型、凝固及冷却过程中的各种物理场，并据此对铸件进行质量评价的方法。通过铸造成型过程数值模拟，可以在制造铸造工艺装备及浇注铸件之前，对各种工艺方案与铸件质量的关系进行判断，掌握主要铸造缺陷的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。铸造过程仿真被称为今后10年对铸件业影响最大的三大重要技术之一。
程序，进行模拟计算。
6. 数据处理和模拟计算结果的图形显示输出。
1.3铸件充型过程数值模拟的基本问题
铸件充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算流体力学、传热学、计算机图形学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。铸件充型过程的流场温度场模拟包括很多内容，如几何实体造型、计算域的网格划分、流场中速度和压力的求解、充型过程中自由表面的处理、充型过程紊流的模拟、充型过程对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及计算结果的可视化等。
在铸件充型过程的数值模拟计算中，求解压力场是最ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
耗费时间的，实际工程应用中，计算时间有时会很长，满足不了工艺分析人员的要求，因此研究如何提高压力方程的求解速度就成了一个非常重要的问题。致力于铸件充型过程数值模拟的研究人员，不断跟踪计算流体力学、数学和计算机等相关学科的新发展，力图以最新的研究成果来提高充型模拟的计算精度。研究者主要在压力场一速度场的迭代方法上和稀疏矩阵方程组的求解方面进行研究探索，并提出了许多提高计算速度的有效方法。
液态成型充型过程数值模拟仿真技术
前言
液态成型是将液态金属注入一定的型腔(铸型)中使之凝固、冷却而形成具有一定形状和尺寸的金属制品．这种成型方法又可称为铸造成型。这种制造金属制品的生产过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件；大部分铸件一般均用作毛坯，需经机械加工后才能成为各种机器零件；少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度时，可直接作为零件或产品使用。
首先要对流场进行离散，即流场区域网格的划分。将铸件和铸型系统剖分为有限数量的六面体单元，用单元内的结点代表该单元的属性。
3. 控制方程的离散
把连续性的控制方程和体积函数按一定的差分格式进行离散，得到离散化方程。
4．确定初始条件、边界条件和数值稳定性条件。 5．迭代计算求解根据确定性条件，编制流体流动迭代计算
1.速度场和压力场的求解充型过程数值模拟的一项基本内容是用有限差分
或有限元等数值模拟方法求解质量守恒方程(连续性方程) 和动量守恒方程即纳维尔一斯托克斯(Navier -Stokes)方程，简称N-S方程，以得出流体运动规律。
由于计算速度场的真正困难在于压力场，因而研究者们致力于寻找一种采用所谓的基本变量(即速度分量和压力)的数值求解方法。这样的解法必须进行速度场一压力场迭代，通过猜测值得到满意解.Patankar提出了SIMPLE 方法和SIMPLER方法，SIMPLE (Semi一Implicit Method for Pressure-Linked Equations)是求解压力连续方程的半隐式方法，是比较全面的流场计算方法;计算出的速度场不仅满足连续性方程的要求，也满足动量方程的要求; 其主要特点是压力场和速度场同时迭代。
通常根据铸型的特点或液态合金注入铸型(充型)方式及在铸型中凝固成型过程的特点，把铸造分为几种不同的类型．如砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造、连续铸造、实型铸造、真空铸造等。
铸造工艺是为了方便造型，使液态合金顺利充型或保证铸件的内外质量而采取的各种方法和手段的总和．如浇注温度、分型面、加工余量、拔模斜度、浇冒口等。
1.2数值模拟过程
充型凝固过程数值模拟基本方法有有限差分和有限元等数值方法。基于差分方法的充型数值模拟基本过程为:
1．数值模型的建立实际流体具有粘性，高温液态金属是在充型过程中其粘
度变化较大的实际流体，针对不同类型的流体，需要采用不同的流体模型方程。在充型模拟过程中，高温金属液的运动规律遵循实际流体运动方程一一N-S方程，并满足质量和能量守恒。 2. 网格剖分求解充型流动的流场
铸造过程仿真的实质是对铸件成形系统(包括铸件和铸型)进行几何上的离散化，然后利用能量方程、连续性方程、动量方程等物理模型，通过数值计算方法得出满足初始条件和给定边界条件的铸造过程相关物理场参数，并根据物理场的变化规律预报铸造质量(显微组织和铸造缺陷)。
1.1铸件充型过程数值模拟
铸造生产的实质是直接将液态金属浇入铸型并在铸型中凝固和冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷(如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等)都是在充型不利的情况下产生的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。但是，由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量实验基础上的经验准则。随着计算机技术的发展，铸件充型过程数值模拟受到了国内外研究工作者的广泛重视，从80年代开始，在此领域进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。目前铸件充型过程数值模拟的发展己进入工程实用化阶段。应用先进的数值模拟技术，铸造生产正在由经验走向科学理论指导。通过充型过程模拟，人们可以掌握主要铸造缺陷的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。