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文章编号 100426410(2003)0120054205复杂铸件三维温度场有限元分析马兆敏1,沈炜良2,李文娟3(11广西工学院电控系,广西柳州 545006;21广西大学,广西南宁 530004;31山东大学,山东济南 250061)摘 要:对柴油机缸盖铸件三维温度场进行有限元分析,得到从浇注到室温全过程的温度场,计算结果表明三维温度场的数值模拟能反映铸件冷却过程温度场的变化,与实测结果相符合。
并评价了三种落砂温度工艺方案,结果表明落砂时间对铸件残余应力的大小有很大影响。
关 键 词:铸造;凝固过程;有限元;温度场;AN SYS中图分类号:T G 213 文献标识码:A收稿日期:2002207211作者简介:马兆敏(19752),女,山东兖州人,广西工学院电控系助教,工学硕士。
0前言 某厂生产的6105柴油机缸盖在生产、使用过程中出现开裂现象。
缸盖产生裂纹的原因比较复杂,在铸造过程中形成的残余应力是其中原因之一。
本文利用AN SYS 有限元分析计算软件,对缸盖铸件凝固温度分布变化进行计算机仿真,研究开箱温度对铸件残余应力分布规律的影响,为实际铸件的残余应力分析和选择合理的降低残余应力工艺提供基本依据。
并在生产现场对6105型柴油机缸盖铸造凝固过程温度场进行测量,以验证模拟计算的可靠性。
16105柴油机缸盖铸件简介 6105型缸盖为六气缸柴油机缸盖。
铸件为箱型,内部设有进排气道、冷却水腔、润滑油孔道、起动阀、安全阀、压力测量装置等。
铸件最薄部位尺寸为5mm ,最厚部位尺寸为30mm ,属于高强度薄壁复杂铸件。
由于其结构复杂,工厂中生产分两段铸造而成。
材质为H T 250,每段铸件外型尺寸为430mm ×254mm ×104mm ,重量约为40kg 。
机加工后缸盖铸件的实物图如图1所示。
图1缸盖铸件机加工后的实物照片2铸件凝固过程三维温度场有限元分析211连续温度场数学模型 铸件凝固过程基本上可看成一个不稳定导热过程。
哈尔滨工业大学《材料加工过程数值模拟基础》实验课程铸件充型凝固过程数值模拟实验报告姓名：学号：班级：材料科学与工程学院铸件充型凝固过程数值模拟实验报告实验一：铸件凝固过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。
二、实验原理1．有限差分法温度场模拟的基本思路：设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。
2．有限差分法温度场模拟的数学模型：222222T T T T L C t x y z t三、铸件凝固模拟过程及参数设置1．凝固模拟过程铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。
2．参数设置铸件材质：AC1B铸型材质：SM20C初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。
边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2∙K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2∙K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2∙K)。
四、模拟结果图1 冷却时间由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。
由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。
内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩，则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。
图2 冷却率由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。
由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的产生，合理布置冷却水管的分布位置。
实验二：铸件充型过程数值模拟一、实验目的1．学习有限差分法流动场模拟的数学模型和基本思路；2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行流动场模拟的方法。
caxa制造工程师常用的4种实体造型方法标题:caxa制造工程师常用的4种实体造型方法(创建与此标题相符的正文并拓展)正文:制造工程师在设计过程中需要使用各种实体造型方法来创建模型,以便进行模拟和分析。
以下是CAXA制造工程师常用的四种实体造型方法:1. 拉伸实体造型方法:这是一种创建平面或曲面实体的方法,可以通过拉伸一个多边形网格来创建一个实体。
该方法适用于创建复杂的形状和表面,例如机器组件、管道和零件等。
2. 切割实体造型方法:这是一种创建平面或曲面实体的方法,可以通过切割一个多边形网格来创建一个实体。
该方法适用于创建具有锐利边缘和表面的细节,例如汽车零件、电子设备和机械组件等。
3. 扫描实体造型方法:这是一种创建平面或曲面实体的方法,可以通过扫描一个多边形网格来创建一个实体。
该方法适用于创建具有类似于真实物体表面的图案和纹理,例如艺术品、服装和家具等。
4. 组合实体造型方法:这是一种创建多个实体的方法,可以通过组合和连接它们来创建一个复杂的形状。
该方法适用于创建具有不同形状和尺寸的实体,例如机器组件、管道和零件等。
除了上述实体造型方法外,制造工程师还可以使用其他高级建模技术来创建复杂的形状和表面,例如CAXA中的多边形建模、实体建模和表面建模等。
这些方法可以提高制造工程师的建模效率和准确性,帮助他们更好地设计和分析制造过程。
拓展:实体造型方法是一种用于创建三维模型的方法,通常用于制造、设计、计算机辅助设计和虚拟现实等领域。
实体造型方法的应用范围非常广泛,可以帮助制造工程师更好地理解和预测制造过程,提高设计效率和准确性。
除了上面提到的四种实体造型方法外,还有许多其他高级建模技术可以用于实体造型,例如CAXA 中的多边形建模、实体建模和表面建模等。
这些技术可以提高建模效率和准确性,帮助制造工程师更好地设计和分析制造过程。
铸件充型凝固过程数值模拟2.1 概述欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。
数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。
铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件力学性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。
数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。
目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验方法。
2.2 数学模型熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。
该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。
质量守恒方程∂ u/∂ x+∂ v/∂ y+∂ w/∂ z= 0 (2-1) 动量守恒方程∂（ρ u）/∂t +u ∂（ρ u）/∂ x +v ∂（ρ u）/∂ y +w ∂（ρ u）/∂z= -∂ p/∂ x +μ(∂2u/∂ x2 +∂2v/∂y2 +∂ 2w/∂ z2)+ ρ g x (2-2a) ∂（ρ v）/∂ t +u∂（ρ v）/∂ x +v∂（ρ v）/∂ y +w∂（ρ v）/∂z= -∂ p/∂y+μ (∂2u/∂x2+∂2v/∂y2+∂ 2w/∂ z2)+ρ g y (2-2b) ∂（ρ w）/∂ t +u∂（ρ w）/∂x +v∂（ρ w）/∂ y +w∂（ρ w）/∂ z = -∂ p/∂z+μ (∂2u/∂ x2+∂2v/∂ y2+∂ 2w/∂z2)+ρ g z (2-2c)体积函数方程∂F/∂ t+∂（Fu）/∂ x+∂（Fv）/∂y +∂（Fw）/∂z= 0 (2-3)能量守恒方程∂（ρc p T）/∂t+∂（ρ c p u T）/∂x+∂（ρ c p v T）/∂ y +∂（ρ c p w T）/∂ z= ∂（λT/∂x）/∂x+∂（λT/∂ y）/∂ y +∂（λT/∂ z）/∂ z +q v(2-4)式中u,v,w —— x, y, z 方向速度分量(m/s)；ρ——金属液密度(kg/m3)；t ——时间(s)；p ——金属液体内压力(Pa)；μ——金属液分子动力粘度（Pa.s）；g x, g y, g z —— x, y, z 方向重力加速度(m/s2)；F ——体积函数，0≤F≤1；c p ——金属液比热容[J/(kg.K)]；T ——金属液温度(K)；λ——金属液热导率[W/(m.K)]；q——热源项[J/(m3.s)]。
材料工程JOURNAL OF MATERIALSENGINEERING1999年第7期No.71999单晶高温合金定向凝固过程数值模拟刘世忠李嘉荣唐定忠钟振纲［摘要］实测了不同抽拉速度单晶高温合金定向凝固过程的初始条件、边界条件及温度场，建立了数值模拟系统的实体模型，采用ProCAST有限元模拟软件包计算了不同抽拉速度单晶合金试板的定向凝固过程温度场。
结果表明：模拟结果与实测结果吻合良好，在1000 ℃以上计算温度曲线与实测温度曲线相比误差小于5%；随着抽拉速度的增加，凝固速度提高，向下凹的液相线的曲率变大；采用数值模拟可为单晶合金定向凝固工艺的优化提供一种有效的手段。
［关键词］单晶高温合金；抽拉速度；温度场；数值模拟［中图分类号］TG111.4；TG244.3［文献标识码］A［文章编号］1001-4381 (1999)07-0040-03Numerical Simulation of Directional SolidificationProcess of Single Crystal SuperalloysLIU Shi-zhong,LI Jia-rong,TANG Ding-zhong,ZHONG Zhen-gang(Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China) Abstract：The thermal fields of the directional solidification of single crystal superalloys have been measured at various withdrawal rates. The entity model of a simulated system has been built and thermal fields have been calculated with ProCAST software. The results show that the discrepancy between the measured temperature data and the calculated temperature data is lower than 5% at three different withdrawal rates above 1000℃, the curvatures of the liquid lines are increasing with withdrawal rates increment. The numerical simulation of the directional solidification of single crystal superalloys can provide an available tool for optimizing solidification process.Key words:single crystal superalloys；withdrawal rate；thermal fields；numerical simulation随着航空技术的迅速发展，对涡轮发动机组成件的要求越来越高，因而对铸件的工艺要求也随之提高［1］。
铸造成形工艺过程的数值模拟仿真及其应用王华侨;张颖;费久灿;王德跃【摘要】本文对国内外常用的几款铸造成形工艺模拟仿真软件的功能进行了简要介绍,希望对从事铸造行业的产品设计师、模具设计师、铸造工艺师提供一定的参考借鉴作用,从而为提高企业的铸造工艺水平搭建一个更好的优化设计,以及成形工艺的数字化工艺优化设计、制造、仿真集成的先进平台.【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2011(000)005【总页数】6页(P59-64)【作者】王华侨;张颖;费久灿;王德跃【作者单位】中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100;中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100;中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100;中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100【正文语种】中文铸造仿真模拟优化软件是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的，借助于铸造仿真模拟优化软件系统平台，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前，就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。
通过模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置，以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸造过程中微观组织的变化。
图1所示为铸造仿真模拟分析的典型过程。
本文对国内外常用的几款铸造成形工艺模拟仿真软件华铸CAE/InteCAST、AnyCasting、ProCAST等软件的功能与实例应用进行了简要介绍，希望对铸造行业的产品设计师、模具设计师、铸造工艺师提供一定的参考借鉴作用，从而为提高企业的铸造工艺水平搭建一个更好的优化设计，以及成形工艺的数字化工艺优化设计、制造、仿真集成的先进平台。
HZCAE/InteCAST是中国铸造领域著名的模拟分析系统，是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具。
它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。
果与工厂的实际情况相吻合。
(c )72min 时状态 (d )最后预测的缩孔位置1.固相区 2.固-液区 1.缩孔 2.固相区 图2 喷嘴室计算截面的模拟结果 三、结论(1)本文采用交替方向隐式差分(IAD )法,对右下喷嘴室铸件的凝固过程进行了数值模拟。
计算出的温度场及预测出的缩孔(松)位置与实际情况相吻合。
(2)G /V 法考虑了铸件的材质、尺寸大小和形状的影响,能精确地评价流动压力损失。
以G /V 作为缩孔(松)判据参数进行缩孔(松)预测与实际情况基本一致。
(3)P 值法消除了铸件形状、尺寸因素的影响,其预测缩松的临界值只与合金的性质有关,同时,该法考虑了各补缩方向的综合效果。
参 考 文 献1 沈阳铸造研究所.铸件凝固过程热场电子计算机模拟.铸工.1980(1):14～222 Niyama E.Predicting sh rinkage in large steel Cas ings fr om T emper-atue gradient Calculatings.AFS in ternation al Cast m etals journal 1981(6):16～223 〔日〕大中逸雄著.许云祥译.计算机传热凝固解析入门——铸造过程中的应用.北京:机械工业出版社,19884 〔日〕新山英辅等著.大型铸钢件缩孔的预测.铸物.1980,52(11):635～6405 Niyama E.Uchida T.M orik aw a M and S aito S.A method of shrin k-age Pr edication and its ap plication to steel casting p ractice.Pr oceed-ings of 49th Int.foun tr y Congr ess.19826 王深强等.铸件简易凝固模拟系统实用化软件开发.铸造.1987(2):19～24(编辑:唐彦斌) 1996年7月15日收到初稿;1996年12月20日收到修改稿。
复杂形状铸件实体造型及网格剖分华中理工大学(武汉430074) 闵光国 袁国强 林汉同 【提要】本文基于AutoCAD R12中的AME 模块完成复杂形状铸件的几何造型,并对Auto CA D 软件进行二次开发,编制了能剖分复杂形状铸件实体的网格剖分程序。
文中举出曲轴、轮毂等铸件的应用实例。
关键词:实体造型 网格剖分 线段穿透法 目前的三维几何造型及网格剖分模块的研制可分为两种情况,一种是研究者完全自己开发,这种开发方式虽然可满足一些铸件的造型要求,但用户界面、实用性以及通用性都比较差;另外一种就是研究者在常用的三维绘图软件(如AutoCAD 软件等)基础上完成二次开发〔1,2〕,这种开发模式能起到事半功倍的作用,所研制的三维造型及网格剖分软件容易被用户接受和掌握。
为此,笔者采用后者开发方式,选择在我国比较流行的三维作图软件Auto CAD R12作为三维几何造型工具,利用其C 语言开发系统ADS (全称为Auto-CAD Dev elo pm ent System )进行二次开发工作。
一、三维实体造型及网格剖分原理1.AutoCAD R 12三维实体造型的原理美国Auto desk 公司研制的AutoCAD R12是一个功能强大的CAD 设计软件包。
由于它采用开放式体系结构,用户不但可使用现有的功能进行绘图,而且可利用Auto CAD 开放系统特性,借助它提供的工具如A DS 、AM E (A dvanced M odeling Extension)与C 语言的应用编程接口API (Applicatio n Prog ram-ming Interface )等对AutoCAD 的功能进行扩充,使Auto CAD 能实现铸造工艺CAD 系统中的三维实体造型及网格剖分。
铸件的三维实体造型原理就是把铸件从二维工艺图中以三维实心体的表达方式再现在计算机屏上,同时还可保存到文件中,供用户随时调用和修改。
采用Auto CAD 的AM E 模块提供的六种基本实体,如方体、球体、楔形体、圆锥体、圆柱体和环体,通过并、差、交三种布儿逻辑运算方式可完成各种形状铸件实体的三维造型。
另外,还可先绘制一条任意形状的平面多义线,然后冲压拔高和绕一轴线旋转也可生成一个三维实体。
利用以上几种造型功能可完成任意形状铸件的三维实体造型。
2.实体网格剖分程序设计思想笔者以AutoCAD R12为建造三维实体工作平台,利用AutoCAD 的ADS 开发系统作为C 语言应用程序设计环境,通过调用AM E 的C 语言API 编程接口库函数来编写三维实体网格剖分程序。
API 函数具有两种功能:一是能依据一组可变的参数来生成和处理实心体和面域;二是能查询并评估实心体和面域的几何与拓扑特性。
例如,API 库中的ap-class-edge 函数能将相对于某个实心体或面域的一条边分类:整条边如果位于实心体之内,则类别为AP -IN-OBJECT ;如果位于实心体表面,则类别为AP-INOB-JECT ;如果位于实心体之外,则类别为AP-OFFOB-JECT 。
通过调用ap-class-edg e 函数,笔者提出一种“线段穿透法”对任一几何实体进行三维网格剖分,其原理是:首先定义一个把所要剖分的实体完全包围住的空间,该空间的最小坐标为(X min ,Y min ,Z min ),最大坐标为(X max ,Y max ,Z max );然后,沿着与任一坐标轴平行的方向引出许多等长度、等间距、分布均匀的线段,这些线段穿透实体并被实体分割成在实体内、在实体上和在实体外三类线段,见图1。
图中虚线表示在实体上和实体内部的线段,实线部分表示在实体外。
其中,虚线部分的线段就是剖分网格时所需要的数据。
图1 线段穿透法剖分实体示意图程序实现的具体设计思想如下:(1)确定实体剖分时网格数和间距 在对实体剖分时,首先定义包围实体的最小和最大空间坐标,然后用户根据铸件实体的最小尺寸确定每个网格大小 X 、 Y 、 Z ,总网格数N X 、N Y 、N Z 由下式计算:N X =(X max -X min )/ X ,N Y =(Y max -Y min )/ Y ,N Z =(Z max -Z min )/ Z(2)保存实体上剖分线段的空间坐标 笔者规定剖分后的线段空间坐标数据保存在*,MSH 格式的文件中,该文件的数据以二进制格式存储,其文件格式见表1。
表1 剖分线段MSH 文件的数据格式数 据 含 义变量类型字节长度X 向网格数N X 整 型2Y 向网格数N Y 整 型2Z 向网格数N Z 整 型2X 向网格间距 X 浮点型4Y 向网格间距 Y 浮点型4Z 向网格间距 Z 浮点型4线段方向标志Flag整 型2X 向最小空间坐标X min 浮点型4Y 向最小空间坐标Y min 浮点型4Z 向最小空间坐标Z min浮点型4线段起点坐标值(X s ,Y s ,Z s )浮点结构12线段终点坐标值(X e ,Y e ,Z e )浮点结构12 ………… (3)生成网格属性数据 Auto CA D 环境下完成实体的线段分割后,用户要退出AutoCAD 进入笔者编制的读取MSH 格式文件的程序,由线段空间坐标生成实体网格单元信息数据。
具体做法是:程序将首先自动把整个系统中N X 、N Y 、N Z 个网格属性全部设置为铸型,并规定铸型属性编号为1。
然后,用户输入实体线段M SH 格式的文件名,程序将自动把线段空间坐标换算成实体的网格位置坐标,同时把对应的网格位置的单元属性设置为铸件,其编号规定为“2”。
实体线段空间坐标换算成网格坐标的方法是先确定线段两端点的网格坐标,即:起点网格坐标:i 1=(X s -X min )/ X ,j 1=(Y s-Y min )/ Y ,k 1=(Z s -Z min )/ Z终点网格坐标:i 2=(X e -X min )/ X ,j 2=(Y e -Y min )/ Y ,k 2=(Z e -Z min )/ Z然后将(i 1,j 1,k 1)和(i 2,j 2,k 2)两点间的网格属性全部改写为铸件。
最后,把剖分生成的网格单元属性信息保存在二进制的文件中,供数值计算和图形显示调用。
3.网格剖分程序实用性讨论上述只讨论了该网格剖分方法处理一个实体(指铸件)的情况,对于涉及铸件、铸型、砂芯、冷铁、保温冒口等多种材料的铸造工艺,该程序一样适用。
其原理是:用户在使用AutoCAD 软件建造实体时,可建(a)轮毂 (b)175曲轴 (c)6105曲轴图3 铸件实体网格轮廓图造铸件、砂芯、冷铁等多个实体,并分别对其进行选择、编号,程序能自动记录各材质实体线段的坐标数据,并转换成相应单元属性的网格位置坐标。
程序中定义常用材质的网格属性编号分别为:0代表空气,1代表铸型,2代表铸件,3代表砂芯,4代表冷铁,5代表保温冒口等依次往下编排。
对于形状比较复杂、壁厚差别较大的铸件,用户要兼顾铸件中最薄壁处尺寸,适当减小网格单元尺寸 X 、 Y 、 Z 的大小,但是这势必增加网格剖分工作量以及剖分时间。
用此方法剖分实体耗费时间最多的部分就是在AutoCAD 环境下用“线段穿透性”识别线段与实体的关系、保存实体上所有线段的两端点坐标,而真正由实体上线段坐标数据生成网格单元位置坐标仅花计算机极少的时间。
因此,为了适当提高在Au-to CAD 环境下线段剖分速度,程序中提供了自动辩别实体的三维空间尺寸比例的功能,可沿着实体最大一维尺寸引平行线段,这样能尽量减少所引线段数,提高剖分速度。
由于该剖分程序将一实体在空间上分割成许多大小均匀的正六面体,这对于含有曲面的实体将产生形状误差,通过减少网格空间步长可提高网格剖分精度,可达到铸件凝固过程温度场和液态金属充填铸型的计算精度要求。
二、应用举例笔者在Super 486/100微机上用A utoCAD R 12建造了铝合金低压铸件汽车轮毂、175曲轴和6105曲轴三个铸件实体模型见图2,并按上述方法完成了对这三个铸件实体的网格剖分见图3,这三个铸件的网格剖分数据列在表2中。
三、结束语本文对常用的AutoCAD R 12绘图软件进行了二表2 铸件实体网格剖分数据铸件名称网格剖分数(NX 、NY 、NZ)网格大小(mm)( X 、 Y 、 Z)网格总数轮 毂178×178×80 2.5×2.5×2.52534720175曲轴47×63×165 3.0×3.0×3.04885656105曲轴320×70×703.0×3.0×3.01568000次开发研究,利用ADS 开发环境和AM E 的API 编程接口编制了适用于复杂形状、多种材质铸件的实体造型及网格剖分应用程序,并提出了用于剖分实体的“线段穿透法”。
