浅谈CAE在铸造中的应用

２０１１年第２５期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　０职校论坛０　科技信息　

浅谈ＣＡＥ在铸造中的应用　

王国珍　

（南京机电职业技术学院　范晓文　

江苏南京２１００３７）　

【摘要】铸造凝固模拟技术已广泛的应用于生产实践中，随着计算机硬件条件的改善，铸造过程数值模拟技术有了长足的进步，国内外铸　

造ｃＡＥ软件不断完善并对实际生产起着越来越重要的作用。本文介绍了铸造过程数值模拟技术的一些基本的思路和原理：并给出了华铸　

ＣＡ￣软件在压铸中的一些应用实例，从而辅助工艺人员进行工艺优化，指导实际铸件生产。　

【关键词】数值模拟；铸造缺陷；压铸件；华铸ｃＡＥ　

１铸造工艺认识　

铸造工艺设计首先要保证其使用中的合理性。对于铸造而言．就　

是要保证其所要实现的铸造工艺能达到最佳的合理性　在铸造生产过　

程中，液态和半固态的高温金属在高速、高压下充型，并在高温下迅速　

凝固，容易产生流痕、浇不足、气孔等铸造缺陷，影响铸件质量．同时容　

易导致模具的冲蚀、热疲劳裂纹等．使模具的使用寿命缩短　传统的铸　

造工艺设计过程．很难在设计之前优化出最佳的铸造工艺．使模具发　

挥最佳的应用效果，往往要在模具制成后。在其使用中进行修补．甚至　

重做．才能实现预期的工艺目标。这就容易造成很大的浪费．也很难保　

证模具及其所实现的工艺的质量．很难保证模具的开发周期　所以铸　

造工艺在当中扮演着非常重要的角色　

２铸造ＣＡＥ软件的结构　

铸造ＣＡＥ软件工作的依据是铸件充型及凝固过程的数值模拟．　

而数值模拟的核心则是数理方程的有限分析求解．实用铸造ＣＡＥ软　

件大多是用有限差分法（ＦＤＭ）进行数值求解。从总的结构来看．基于　

有限差分方法的软件一般都划分为前置处理、数值求解、后置处理三　

大模块　下图所示为铸造ＣＡＥ软件结构　

ｒ……Ｖ一－　……　

三维建模　

・—————－　—　—－—　—・—－…—－・・　—・—－—－—－——　－ｊ　剥离　ＣＡＥ软件独立本体　

铸造ＣＡＥ软件结构　

３铸造ＣＡＥ采用的数值计算方法　

工程数值模拟常用的方法，包括有限差分法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｅｆｅｒｅｎｃｅ　

Ｍｅｔｈｏｄ，简称ＦＤＭ）、直接差分法（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｄｅｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ｍｅｔｈｏｄ．简　

称ＤＦＤＭ）、有限元法（Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ。简称ＦＥＭ）和边界元法　

（ＢｏｕＭａｒｙ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ．简称ＢＥＭ）。其中，铸造ＣＡＥ最常用的方　

法是有限差分法（ＦＤＭ）和有限元法（ＦＥＭ）。有限差分法一般用于铸造　

模充型凝固模拟：而有限元法常用于铸造模具的力学分析和结构设　

计。　

３．１有限差分法（ＦＤＭ１　有限差分法具有差分公式导出简单和计算成本低等优点．目前已　

成为应用最为广泛的一种数值分析方法．绝大部分流动场和温度场数　

值模拟计算均采用此方法。有限差分法把基本方程和边界条件（一般　

为微分方程）近似地改用差分方程表示．把求解微分方程的问题转化　

为求解代数方程的问题。以密执安大学的Ｐｅｈｌｋｅ教授为首的研究小　

组．从１９１８年开始相继以显式有限差分、交替隐式和Ｓａｕｌ’Ｙｅｖ有限差　

分格式建立了数值计算模型．对Ｔ形、Ｌ形铸钢件进行计算，给出了温　

度场、等温线和等时线分布图。国外不少学者都对有限差分法进行过　

研究，国内大连理工大学、沈阳铸造研究所、清华大学、哈尔滨工业大　

学、华中科技大学、华北工学院等单位的工作者也在这方面开展了研　

究　ＦＤＭ在缩孔、缩松预测，组织形态预测及流场模拟等方面都表现　

出很大优势及良好前景。在铸造领域中，ＦＤＭ经过３０年的发展，已在　

２５８　温度场、流场模拟、缺陷预测等方面取得了丰硕成果，涌现出许多商品　

化软件，如德国的ＭａｇｍａＳｏｆｔ，日本的Ｓｏｌｉｄｉａ、ＣＡＳＴＡＳ，英国的Ｓ０ｌｓｔａｒ，　

法国的Ｓｉｍｕｌ　０ｒ＇瑞典的ＮＯＶａＣａｓｔ，美国的ＦＬＯＷ一３Ｄ、ＡＦＳｏｌｉｄ，芬兰的　

ＣＡＳＴＣＡＥ．以及国内清华大学研制的ＦＴ—Ｓｔａｒ．华中科技大学的　

｜ｎｔｅＣａｓｔ等。　

３．２有限元法（ＦＥＭ）　

有限元法又称有限单元法、有限元素法．从开始在工程上应用到　

今天。其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程．现已成　

为求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热　

传导、三维形体接触、弹塑性等力学性能的必不可少的数值计算工具。　

同时．它也是处理连续力学问题以及结构性能的优化设计等问题的一　

种近似数值分析方法。有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展　

起来的一种现代计算方法，它克服了有限差分法中网格形状固定、在　

曲面离散时会有阶梯现象的缺点．因此．对单元划分更灵活．对曲面可　

以实现很好的拟合。但其离散算法复杂，对硬件要求高，限制了应用的　

广度。随着计算机技术的普及和不断提高，各种基于几何造型系统的　

有限元分析系统应运而生，计算机辅助有限元分析（ＣＡＥＦＡ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　

Ａｉｄｅｄ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）已成为计算机辅助工程（ＣＡＥ）的重要　

组成部分．是结构分析和结构优化的重要工具．同时也是计算机辅助　

４Ｃ系统（ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ）的重要环节　

有限元法的核心是结构的离散化．就是将实际结构假想地离散为　

有限数目的规则单元组合体．实际结构的物理性能可以通过对离散体　

进行分析．得出满足工程进度的近似结果来替代对实际结构的分析．　

这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂　

问题　对于不同物理性质和数学模型的问题。有限元求解法的基本步　

骤是相同的．只是具体公式推导和运算求解不同。有限元法求解问题　

的基本步骤通常如下：　

（１）问题及求解域定义　

根据实际问题近似地确定求解域的物理性质和几何区域。　

（２）求解域离散化　

将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个　

单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络　

越细），则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确。但是，其计算量　

及误差都将增大．因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一　

（３）确定状态变量及控制方法　

一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条　

件的微分方程式表示．为适合有限元求解．通常将微分方程化为等价　

的泛函形式。　

（４）单元推导　

对单元构造一个适合的近似解．即推导有限单元的列式．其中包　

括选择合理的单元坐标系．建立单元式函数．以某种方法给出单元各　

状态变量的离散关系．从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔　

度阵）　为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工　

程应用而言．重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单　

元形状应以规则为好．畸形时不仅精度低．而且有缺秩的危险，将导致　

无法求解。　

ｆ５）总装求解　将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似　

求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条　

件　总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续　

性建立在结点处。

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（６）联立方程组求解和结果解释　

有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、　

选代法和随机法。其求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于　

计算结果的质量．将通过与设计准则提供的允许值比较来评价，并确　

定是否需要重复计算。　艺的模拟结果，模拟所得的动画清楚地反映了该压铸件充型次序以及　

温度分布情况．从中可以预测可能的缺陷，该模拟结果与实际的生产　

情况基本吻合。正因为如此，该厂已决定采用ＣＡＥ软件的压铸模块，　

这样就能够指导以后的压铸模设计．以到达降低生产成本、缩短生产　

周期、提高铸件质量的目的。　

产情况。　

：　

图４—１压铸件Ａ充型的色温分布　

图４—２压铸件Ａ充型的压力分布　

４．２在压铸件Ｂ上的应用　

图４—４是某厂生产的压铸件Ｂ试制生产的情况．图４—５是该工　５结论　图４—５压铸件Ｂ充型的色温分布　

铸造过程的数值模拟技术为提高传统铸造行业的产品质量、企业　

竞争力提供了强而有力的工具．国内采用数值模拟技术的铸造厂家为　

数不多．而国外发达国家采用这一技术的企业高达５０％　随着世界经　

济的一体化．铸造过程的数值模拟技术将显得日益重要：最近几年　

ＣＡＥ软件的应用情况也表明了越来越多的国内铸造企业尤其是压铸　

企业越来越重视铸造ＣＡＥ技术．这将进一步推动铸造ＣＡＥ技术的发　

展，从而最终为铸造企业创造更大的经济和社会效益。ｌ　

【参考文献】　

［１］周建新，刘瑞祥，陈立亮，林汉同．华铸ＣＡＥ软件在生产中的应用　

（２］刘瑞翔．杨宠　等．凝固过程数值模拟的可视化研究．中国机械工程．　

［３］柳百成．铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展．　［４］陈军编著．计算机在铸造中的应用．机械工业出版社．　

作者简介：王国珍（１９８２．０９．２２一），男，本科，助教，材料成型及控制工程，南　

京机电职业技术学院。　范晓文（１９８１　０８．１６一），男，本科，助教，机械设计制造及自动化，南京机电　

职业技术学院。　

［责任编辑：曹明明］　

（上接第２４７页）义上说，“道”是以良心的不安或谴责的方式发生作用　

的，也可以说是良心的力量　良心得力于内心道德法庭的作用，才促使　

每个有良心的人．都要在一切行为中受到似乎超然于自己的良心约　

束。只有这样，人才能为“自我立法”。　

３＿３“和谐”的航海精神　

在船舶航行中，海员总是有差别的　他们是处在不同的权力等级　

和负责地位上，构成一个差序的系列。而我们知道，权力地位是多么容　

易一个人，不管其下属的意愿如何　而只照自己的意愿行事　而且．客　

观上权力越大．号令越易．也就越不容易克制自己　忠恕是以一种人格　

平等的观念为前提的。只有遵循公平原则，使绝大多数船员受益．才能　

取得他们的共识和支持。和谐的航海精神实现则能促进公平的形成．　

和谐航海精神能够使每个船员都有权利、有机会在不影响他人权利的　

前提下追求自己的利益和幸福，从而使得全体船员的积极性、创造力　都能得到极大程度的激发，最终达到“和谐”的航海精神的统一。　Ｊ　

【参考文献】　

［１］礼记．中庸ｆＭ１．大连：大连出版社，１９９８．　

［２］让・皮亚杰．发生认识论原理［Ｍ］．王宪钿，等，译．北京：商务印书馆，１９８７．　

［３］王有权．航海心理学『Ｍ１．大连：大连海事大学出版社。２００７，６．　［４］刘正江，吴兆麟，严立．船舶避碰过程中人的可靠性分析『Ｊ］．大连海事大学学　

报．２０００．３．　

作者简介：杨玲，女，讲师，硕士研究生，心理咨询师，主要研究方向为　理　

学、哲学、伦理学。　

谢保峰，男，讲师，二副，研究生，主要研究方向为航海技术、ｌ心理学。　

［责任编辑：常鹏飞］　

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