鑄造過程的計算機模擬

前言

在我國，制造業(yè)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟的重要組成部分，工業(yè)增加值占國內(nèi)生產(chǎn)總值（（3-DP）的36％，現(xiàn)居世界第四位。鑄造業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，是汽車、石化、鋼鐵、電力、造船、紡織和裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。我國是當今世界鑄件產(chǎn)量大國，產(chǎn)量超過2800萬噸，居世界首位。但是我國鑄造行業(yè)的技術(shù)水平與國外相比仍有很大差距，這制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展。鑄造過程的計算機模擬技術(shù)是學(xué)科發(fā)展的前沿領(lǐng)域，是改造傳統(tǒng)鑄造業(yè)的必由之路。鑄造凝固是一個非常復(fù)雜的過程，它包括流體的流變、熱能的傳遞，還有其他各種物理化學(xué)場的交互作用等，影響因素很多。要模擬這樣復(fù)雜的過程，就涉及到力學(xué)、流變學(xué)、傳熱學(xué)、材料物理化學(xué)和材料學(xué)等各個基礎(chǔ)學(xué)科，并需要以大量精確的實驗，準確地確定所需材料的熱物性參數(shù)。生產(chǎn)實踐中對于數(shù)值模擬最基本的要求就是準確，而這又是最難做到的。對于鑄造這樣的復(fù)雜過程進行數(shù)值模擬，不進行若干簡化是不可能的，但是又難以估計簡化帶來的誤差在工程上是可以接受的還是致命的。此外，有很多問題，雖經(jīng)許多研究者進行了多年的探索，但至今仍未取得理論和技術(shù)上的根本性解決。尤其是涉及凝固過程微觀組織模擬的研究工作，仍屬于探索階段，但鑄造過程的宏觀模擬，流動場數(shù)值模擬、溫度場數(shù)值模擬及鑄造工藝輔助設(shè)計系統(tǒng)經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)可以幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計階段給出可能出現(xiàn)的各種缺陷并有效預(yù)測，從而可優(yōu)化鑄造工藝，確保鑄件質(zhì)量、縮短產(chǎn)品制造周期。中北大學(xué)山西省鑄造新工藝工程技術(shù)研究中心長期從事鑄造領(lǐng)域的計算機應(yīng)用研究，特別是對鑄造過程的宏微觀模擬仿真研究，取得了一系列成果。先后完成了國防科工委基礎(chǔ)科研項目、總裝備部預(yù)先研究項目、山西省科技攻關(guān)項目、山西省留學(xué)基金等有關(guān)鑄造工程的計算機宏微觀仿真研究。

內(nèi)容概要

本書主要介紹了鑄造過程的計算機模擬技術(shù)。全書共分5章，主要內(nèi)容包括緒論，凝固模擬前后處理技術(shù)，鑄造工藝CAE的計算機模擬，鑄造工藝CAD，凝固過程微觀組織模擬。    本書可作為鑄造領(lǐng)域科研人員在科研及鑄造生產(chǎn)中的技術(shù)參考資料，也可作為材料加工工程專業(yè)研究生及本科生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  凝固的重要性  1.2  數(shù)值計算方法與計算格式  1.3  材料凝固數(shù)值模擬系統(tǒng)  1.4  材料凝固模擬研究的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢    1.4.1  計算機凝固模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀    1.4.2  鑄件凝固過程模擬發(fā)展趨勢    1.4.3  鑄造充型凝固過程數(shù)值模擬研究進展    1.4.4  溫度場數(shù)值模擬及收縮缺陷預(yù)測    1.4.5  微觀組織模擬  1.5  凝固模擬計算機應(yīng)用的現(xiàn)狀    1.5.1計算機凝固模擬應(yīng)用的現(xiàn)狀    1.5.2  計算機凝固模擬取得的成就    1.5.3  凝固模擬軟件未能快速普及的原因    1.6  凝固模擬的進一步研究和發(fā)展  參考文獻第2章  凝固模擬前后處理技術(shù)  2.1  網(wǎng)格剖分    2.1.1  基于STL的網(wǎng)格剖分原理    2.1.2  射線穿透法與切片法的比較    2.1.3  均勻網(wǎng)格剖分程序開發(fā)    2.1.4  有限差分非均勻網(wǎng)格剖分    2.1.5  非均勻網(wǎng)格剖分的其他方法    2.1.6  非均勻網(wǎng)格剖分與均勻網(wǎng)格剖分的比較      2.1.7  特殊情況的處理  2.2  網(wǎng)格和計算結(jié)果文件顯示    2.2.1  OpenGL概述    2.2.2  STL模型的變換與顯示    2.2.3  STL對接    2.2.4  凝固進程動態(tài)顯示    2.2.5  后處理顯示問題  參考文獻第3章  鑄造工藝CAE的計算機模擬  3.1  鑄件充型過程模擬    3.1.1  充型過程數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型    3.1.2  紊流模型    3.1.3  金屬液充型過程數(shù)值模擬方法  3.2  SOLA—VOF法模擬充型過程    3.2.1  數(shù)學(xué)模型    3.2.2  計算模型的離散化    3.2.3  速度場和壓力場的計算    3.2.4  其他問題的處理  3.3流場模擬實驗驗證    3.3.1模擬軟件驗證    3.3.2標準實驗的模擬(水力模擬實驗)  3.4  充型過程流場算法的改進    3.4.1  針對界面模糊現(xiàn)象的改進    3.4.2  流體碰壁時體積函數(shù)的分配    3.4.3  提高計算效率的方法    3.4.4  模擬實際鑄件的充型過程  3.5  鑄件凝固過程中的缺陷預(yù)測    3.5.1  鑄件凝固傳熱數(shù)值模型    3.5.2  潛熱處理    3.5.3  重力鑄造下縮孔縮松的預(yù)測    3.5.4  低壓鑄造下縮孔縮松的預(yù)測    3.5.5  上曲軸箱體鑄件溫度場計算及縮孔縮松模擬  3.6  鑄件凝固過程數(shù)值模擬實例    3.6.1  支座鑄件溫度場計算及縮孔縮松模擬    3.6.2  端蓋的模擬計算分析  參考文獻第4章  鑄造工藝CAD  4.1  鑄造工藝CAD的內(nèi)涵  4.2  冒口CAD系統(tǒng)    4.2.1  冒口的設(shè)計原則    4.2.2  設(shè)計冒口的幾種常用方法    4.2.3 冒口設(shè)計分析    4.2.4  冒口CAD系統(tǒng)的開發(fā)  4.3  澆注系統(tǒng)CAD系統(tǒng).    4.3.1  澆注系統(tǒng)設(shè)計的基本原則    4.3.2  澆注系統(tǒng)各類型及其特點    4.3.3  阻流截面的計算    4.3.4  確定澆注系統(tǒng)各組元尺寸    4.3.5  鑄鋁澆注系統(tǒng)設(shè)計  4.4  鑄造工藝CAD設(shè)計實例    4.4.1  冒口設(shè)計    4.4.2  澆注系統(tǒng)的設(shè)計    4.4.3  設(shè)計驗證  參考文獻第5章  凝固過程微觀組織模擬  5.1  微觀組織形成的理論基礎(chǔ)    5.1.1  形核    5.1.2  生長  5.2  微觀組織的數(shù)值模擬方法    5.2.1  決定論方法    5.2.2  隨機論方法    5.2.3  相場法  5.3  相場模型    5.3.1  自由能函數(shù)法    5.3.2  熵函數(shù)法    5.3.3  單相二元合金相場模型    5.3.4  相場模型參數(shù)的取值    5.3.5  相場模型的初始條件和邊界條件  5.4  相場模型中的各向異性    5.4.1  界面各向異性對平衡形狀的影響    5.4.2  引入各向異性的相場模型    5.4.3  相場方程中各向異性項的離散    5.4.4  各向異性對枝晶形貌的影響  5.5  相場模型中的噪聲    5.5.1  擾動的概率分布    5.5.2  噪聲的引入方法    5.5.3  噪聲對枝晶形貌的影響  5.6  凝固過程中柱狀晶與等軸晶的轉(zhuǎn)變    5.6.1  形核模型    5.6.2  生長模型    5.6.3  網(wǎng)格剖分和微觀單元溫度的確定    5.6.4  邊界條件和初始條件    5.6.5  程序的編制  　參考文獻

章節(jié)摘錄

第2章 凝固模擬前后處理技術(shù)鑄造凝固過程數(shù)值模擬的主要內(nèi)容包括前處理、模擬分析計算和后處理三部分。前處理的任務(wù)是為數(shù)值模擬準備一個初始的環(huán)境及對象。前處理模塊是材料凝固過程數(shù)值模擬系統(tǒng)的重要組成部分，是對材料凝固過程進行準確模擬、分析的前提和基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的實用性及計算的準確性。前處理模塊已成為影響整個數(shù)值模擬系統(tǒng)商品化及實用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對前處理模塊的研究具有重大意義。前處理主要是把需要的模擬實體進行三維實體造型、網(wǎng)格剖分和網(wǎng)格顯示。后處理技術(shù)也稱科學(xué)計算可視化技術(shù)，它是隨著計算機圖形學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的。計算機圖形學(xué)及圖形終端技術(shù)的發(fā)展，為數(shù)值向圖形映射的處理提供了技術(shù)支持，在數(shù)值模擬技術(shù)中已廣泛使用這種處理技術(shù)。

編輯推薦

《鑄造過程的計算機模擬》由國防工業(yè)出版社出版。

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