鑄造過程的計(jì)算機(jī)模擬

前言

在我國，制造業(yè)已發(fā)展成為國民經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(jì)的發(fā)展。鑄造過程的計(jì)算機(jī)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(gè)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(chǎng)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(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，并需要以大量精確的實(shí)驗(yàn)，準(zhǔn)確地確定所需材料的熱物性參數(shù)。生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)于數(shù)值模擬最基本的要求就是準(zhǔn)確，而這又是最難做到的。對(duì)于鑄造這樣的復(fù)雜過程進(jìn)行數(shù)值模擬，不進(jìn)行若干簡(jiǎn)化是不可能的，但是又難以估計(jì)簡(jiǎn)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(jìn)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(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬、溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及鑄造工藝輔助設(shè)計(jì)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(jì)階段給出可能出現(xiàn)的各種缺陷并有效預(yù)測(cè)，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(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，特別是對(duì)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(xiàng)目、總裝備部預(yù)先研究項(xiàng)目、山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目、山西省留學(xué)基金等有關(guān)鑄造工程的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算方法與計(jì)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(shì)    1.4.1  計(jì)算機(jī)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(shì)    1.4.3  鑄造充型凝固過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展    1.4.4  溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及收縮缺陷預(yù)測(cè)    1.4.5  微觀組織模擬  1.5  凝固模擬計(jì)算機(jī)應(yīng)用的現(xiàn)狀    1.5.1計(jì)算機(jī)凝固模擬應(yīng)用的現(xiàn)狀    1.5.2  計(jì)算機(jī)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(jìn)一步研究和發(fā)展  參考文獻(xiàn)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(jì)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(duì)接    2.2.4  凝固進(jìn)程動(dòng)態(tài)顯示    2.2.5  后處理顯示問題  參考文獻(xiàn)第3章  鑄造工藝CAE的計(jì)算機(jī)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(jì)算模型的離散化    3.2.3  速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的計(jì)算    3.2.4  其他問題的處理  3.3流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證    3.3.1模擬軟件驗(yàn)證    3.3.2標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的模擬(水力模擬實(shí)驗(yàn))  3.4  充型過程流場(chǎng)算法的改進(jìn)    3.4.1  針對(duì)界面模糊現(xiàn)象的改進(jìn)    3.4.2  流體碰壁時(shí)體積函數(shù)的分配    3.4.3  提高計(jì)算效率的方法    3.4.4  模擬實(shí)際鑄件的充型過程  3.5  鑄件凝固過程中的缺陷預(yù)測(cè)    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(cè)    3.5.4  低壓鑄造下縮孔縮松的預(yù)測(cè)    3.5.5  上曲軸箱體鑄件溫度場(chǎng)計(jì)算及縮孔縮松模擬  3.6  鑄件凝固過程數(shù)值模擬實(shí)例    3.6.1  支座鑄件溫度場(chǎng)計(jì)算及縮孔縮松模擬    3.6.2  端蓋的模擬計(jì)算分析  參考文獻(xiàn)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(jì)原則    4.2.2  設(shè)計(jì)冒口的幾種常用方法    4.2.3 冒口設(shè)計(jì)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(jì)的基本原則    4.3.2  澆注系統(tǒng)各類型及其特點(diǎn)    4.3.3  阻流截面的計(jì)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(jì)  4.4  鑄造工藝CAD設(shè)計(jì)實(shí)例    4.4.1  冒口設(shè)計(jì)    4.4.2  澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)    4.4.3  設(shè)計(jì)驗(yàn)證  參考文獻(xiàn)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(jī)論方法    5.2.3  相場(chǎng)法  5.3  相場(chǎng)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(chǎng)模型    5.3.4  相場(chǎng)模型參數(shù)的取值    5.3.5  相場(chǎng)模型的初始條件和邊界條件  5.4  相場(chǎng)模型中的各向異性    5.4.1  界面各向異性對(duì)平衡形狀的影響    5.4.2  引入各向異性的相場(chǎng)模型    5.4.3  相場(chǎng)方程中各向異性項(xiàng)的離散    5.4.4  各向異性對(duì)枝晶形貌的影響  5.5  相場(chǎng)模型中的噪聲    5.5.1  擾動(dòng)的概率分布    5.5.2  噪聲的引入方法    5.5.3  噪聲對(duì)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(xiàn)

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(jì)算和后處理三部分。前處理的任務(wù)是為數(shù)值模擬準(zhǔn)備一個(gè)初始的環(huán)境及對(duì)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(duì)材料凝固過程進(jìn)行準(zhǔn)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(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性及計(jì)算的準(zhǔn)確性。前處理模塊已成為影響整個(gè)數(shù)值模擬系統(tǒng)商品化及實(shí)用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)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(shí)體進(jìn)行三維實(shí)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(jì)算可視化技術(shù)，它是隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展而發(fā)展的。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬》由國防工業(yè)出版社出版。

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