加工过程数值模拟作业.docx

材料加工数值模拟 论文 专业：材料加工 姓名：闫禹伯 学号：2013432109 目录 第一章．铸造过程的数值模拟分析 传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。 铸造过程数值模拟的发展现状 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。 铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，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支持下，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。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。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。 二．数值模拟在铸造过程中的应用 数值模拟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，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充型、凝固过程的计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于20世纪60年代，现已经进入了工程实用化阶段。目前CAE商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。 目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。 （一）充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。 （二）缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用G／L，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。 （三）凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。 对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。 （四）凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。近年来各