铸件温度场/应力场仿真与工艺优化设计系统的设计与开发
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摘要
铸件凝固过程数值模拟是提高铸件质量和铸造生产经济效益的重要方法和途径之一。本论文的主要任务是以有限元分析软件ANSYS作为二次开发平台，通过铸造专业知识、铸件凝固过程数值模拟知识以及计算机应用和开发知识的有机结合，初步开发出面向铸造工程师使用的铸件凝固过程温度场和应力场数值模拟软件，提高分析的效率，并进行缺陷预测与分析和铸造工艺的优化设计工作。
系统采用了三层开发体系层次结构，通过应用软件模块化、参数化设计、层次及网状数据结构及数据库等技术与方法，利用ANSYS的内部开发工具(APDL和UIDL)和外部开发工具(Visual C＋＋和Access)，并采用基于铸造合金和工艺设计知识库的向导式设计方法，以铸造行业中常用的铸铁、铸钢、铸造铝合金、铸造铜合金四类铸造合金为分析材料，主要针对砂型铸造，我们初步完成了铸件温度场／应力场仿真与工艺优化设计系统的设计与开发。
根据铸造工艺及铸件凝固过程数值模拟的特点，本文将系统划分为铸造工艺CAD、铸件凝固过程温度场数值模拟、铸件凝固过程应力场数值模拟和铸件缺陷预测及工艺优化四个模块。各子系统及其模块之间在功能上既相互独立，又相互联系，基本实现了信息集成。
系统涵盖了铸件成形过程数值模拟的主要内容，具有较强的完整性和系统性；面向铸造工程师的开发思路和大量铸造知识的有机融入，大大方便了铸造技术人员的操作和使用，也使系统具有专业化、实用化和用户化的鲜明特点，
这些特点在实际设计与分析过程中得到了验证。
The numerical simulation of casting solidification process is one of important methods and ways by which the casting quality and the economic benefits of foundry production can be raised. The main task of the thesis is that, depending on the finite element analysis software, or ANSYS, for the developing platform, the temperature field and stress field numerical simulation of casting solidification software, which is oriented to foundry engineers, will be preliminarily developed by systematically combining the knowledge of foundry, numerical simulation of casting solidification and application and development of computer. Based on the system, the efficiency of analysis will be improved, and the defect prediction and the optimization design of foundry technology will also be carried out.
The three-floor hierarchy architecture of system development is adopted in the system. Primarily aiming at sand casting process, the system on temperature-field! stress-field simulation and technology optimization design for castings, in which cast iron, steel, alumirnun and copper which are most often used in the foundry industry are the major analysis materials, has been preliminarily designed and developed by applying the technologies and methods of software modularization, parametric design, hierarchy and reticulate data structure, database, internal developing tools of ANSYS (APDL and UIDL) and external developing tools (Visual C++ and Access). In addition, the guiding design method based on knowledge base of casting alloys
and foundry technology design is also adopted.
According to the characteristics of foundry technology and the numerical simulation of casting solidification process, the system is divided into four sub-systems: foundry technology CAD, the temperature-field numerical simulation of casting solidification process, the stress-field numerical simulation of casting solidification process, and the defect prediction and optimization design of foundry technology. Every sub-system and module is either independent or relevant one another in function, and the information integration is also basically realized.
The system that includes the main numerical simulation contents of casting solidification process has the better integrality and systematization. Foundry engineers-oriented developing thought and systematical input of a great deal of foundry knowledge make it very convenient for foundry technicians to use and operate, and also demonstrate the outstanding characteristics of specialization, practicability, and customization. Furthermore, these characteristics have also been tested by actual design and analysis process.
系统采用了三层开发体系层次结构，通过应用软件模块化、参数化设计、层次及网状数据结构及数据库等技术与方法，利用ANSYS的内部开发工具(APDL和UIDL)和外部开发工具(Visual C＋＋和Access)，并采用基于铸造合金和工艺设计知识库的向导式设计方法，以铸造行业中常用的铸铁、铸钢、铸造铝合金、铸造铜合金四类铸造合金为分析材料，主要针对砂型铸造，我们初步完成了铸件温度场／应力场仿真与工艺优化设计系统的设计与开发。
根据铸造工艺及铸件凝固过程数值模拟的特点，本文将系统划分为铸造工艺CAD、铸件凝固过程温度场数值模拟、铸件凝固过程应力场数值模拟和铸件缺陷预测及工艺优化四个模块。各子系统及其模块之间在功能上既相互独立，又相互联系，基本实现了信息集成。
系统涵盖了铸件成形过程数值模拟的主要内容，具有较强的完整性和系统性；面向铸造工程师的开发思路和大量铸造知识的有机融入，大大方便了铸造技术人员的操作和使用，也使系统具有专业化、实用化和用户化的鲜明特点，
这些特点在实际设计与分析过程中得到了验证。
The numerical simulation of casting solidification process is one of important methods and ways by which the casting quality and the economic benefits of foundry production can be raised. The main task of the thesis is that, depending on the finite element analysis software, or ANSYS, for the developing platform, the temperature field and stress field numerical simulation of casting solidification software, which is oriented to foundry engineers, will be preliminarily developed by systematically combining the knowledge of foundry, numerical simulation of casting solidification and application and development of computer. Based on the system, the efficiency of analysis will be improved, and the defect prediction and the optimization design of foundry technology will also be carried out.
The three-floor hierarchy architecture of system development is adopted in the system. Primarily aiming at sand casting process, the system on temperature-field! stress-field simulation and technology optimization design for castings, in which cast iron, steel, alumirnun and copper which are most often used in the foundry industry are the major analysis materials, has been preliminarily designed and developed by applying the technologies and methods of software modularization, parametric design, hierarchy and reticulate data structure, database, internal developing tools of ANSYS (APDL and UIDL) and external developing tools (Visual C++ and Access). In addition, the guiding design method based on knowledge base of casting alloys
and foundry technology design is also adopted.
According to the characteristics of foundry technology and the numerical simulation of casting solidification process, the system is divided into four sub-systems: foundry technology CAD, the temperature-field numerical simulation of casting solidification process, the stress-field numerical simulation of casting solidification process, and the defect prediction and optimization design of foundry technology. Every sub-system and module is either independent or relevant one another in function, and the information integration is also basically realized.
The system that includes the main numerical simulation contents of casting solidification process has the better integrality and systematization. Foundry engineers-oriented developing thought and systematical input of a great deal of foundry knowledge make it very convenient for foundry technicians to use and operate, and also demonstrate the outstanding characteristics of specialization, practicability, and customization. Furthermore, these characteristics have also been tested by actual design and analysis process.
引文
1 张毅，蒋乃隆．铸造工艺CAD及其应用．北京：机械工业出版社．1994
2 陈海清，李华基，曹阳．铸件凝固过程数值模拟．重庆：重庆大学出版社 1991
3 程军．计算机在铸造中的应用．北京：机械工业出版社．1993
4 王君卿．国内外铸造工艺过程计算机数值模拟的发展．第九届中国铸造学术会议论文集．1997：362～374
5 柳百成．铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展．铸造．1999(8)：40-45
6 蒋玉明，杨屹，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(一)．成都科技大学学报，1994(1)：32～39
7 杨屹，蒋玉明，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(二)．成都科技大学学报，1994(2)：95～102
8 杨全，张真．金属凝固与铸造过程数值模拟．杭州：浙江大学出版社．1996
9 张云鹏，杨秉俭，苏俊义，王贻青．铸件凝固组织数值模拟的研究进展．铸造．1997(10)：40～43
10 Dale Christensen and Pat Baker. Optimizing Casting Yield Using Computer Simulation modern casting, 1999(5):44～46
11 Franco Chiesa, Dennis Brasseur. Casting Troubleshooting via Solidification Modeling. modern casting, 1993(12):22～23
12 Steve G.Brown and John A. Spittle. A Rapid Alternative to Solification Modeling. modern casting, 1993(12):24～25
13 Rafael Nariman. Gating Design via Computer Fluid Flow Modeling. modern casting, 1998(6):35～38
14 T.J. Smith,etc. Computer-aided Engineering for The Foundry Industry. Foundryman, 1990(12):p499-507
15 R Kayikci, W D Griffiths. The Influence of Roughness on Interracial Heat Transfer During Casting Solidification. Foundryman, 1999(9):p267-272
16 Foundry Application of Computer Technology. Foundryman, 1999(12):p395-397
17 王同敏，金俊泽．铸件凝固过程微观模拟研究进展．铸造，1999(5)：41～47
18 赵海东，柳百成，房贵如．球墨铸铁微观组织数值模拟及其力学性能的研究进展．铸造．1999(10)：51～54
19 苏仕方，李殿中，徐雪华，王君卿．铸件微观组织计算机数值模拟技术进展．第九届中国铸造学术会议论文集．1997：375～379
20 X.Guo, D.M.Stefanescu. Solid Phase Transformation in Ductile Iron—A Benchmark for Computational Simulation of Microstructure. AFS Transaction, 1997,533～543
21 J.A. Spittle, S.G.R. Brown. Computer Simulation of the Effects of Alloy Variables on the Grain Structures of Castings. Acta Metal., 1989, 37(7):1803～1810
22 M.Rappaz, Ch-A.Gandin. Probabilistic Modeling of Microstructure Formation in Solidification Process. Acta Metal., 1993, 41(2):345～360
23 V. Laurent, C. Rigaut. Experimental and Numerical Study of Criteria Functions for Predicting Microporosity in Cast Aluminum Alloys. AFS Transaction, 1992,647～654
24 房贵如．材料热加工工艺模拟的研究现状及技术发展趋势．中国机械工程学会会讯．1998(11)：21～22
25 陈海涛．铸件凝固过程数值模拟．重庆：重庆大学出版社．1991
26 张世辉．铸件凝固过程计算机数值模拟软件在生产中的应用．铸造．1999(5)：18～20
27 甘舜仙．有限元技术与程序．北京理工大学出版社．1988
28 J.Lacaze, M.Castro, G.Lesoult. Solidification of Spheroid Graphite Cast Irons—Numerical Simulation. Acta mater. 1998(3):997～1010
29 孙逊，王君卿，苏仕方等．大型铸钢轧辊三维充型与凝固过程数值模拟．铸造：1998(2)：7～10
30 李永保．柳百成．熊守美．面向并行工程的铸造工艺集成CAD/CAE系统的研究．中国机械工程．1997(7)：35～37
31 李文珍．柳百成．铸钢件缩孔形成的三维定量模拟．铸造：1995(7)：1～5
32 高尚书．计算机技术及其在铸造行业中的应用．铸造：1995(6)：31～38
33 M.A. Wells, I.V. Samarasekera. Modeling the Microstructural Changes during Hot Tandem Rolling of AA5ⅩⅩⅩ Aluminum Alloys: Partl. Microstructural Evolution. Metallurgical and Materials: 1998(6):611～620
34 L. Natac, D.M. Stefanescu. Simulation of Microstructrue Evolution During Solidification of Inconel 718. AFS Transactions: 1996(193):425～434
35 孙立斌，许庆彦，柳百成等．大型铸钢件补浇工艺的凝固模拟研究．特种铸造及有色合金：2000(1)：45～48
36 张伟强，杨院生，胡壮麒．Al-CuAl_2共晶片层间距的数值模拟．金属学报：1998(1)：1～6
37 金俊泽，王宗廷，郑贤淑，姚山．金属凝固组织形成的仿真研究．金属学报．1998(9)：928～932
38 Dean H.Jensen. Survey Provides Profile of Casting Design Software Use. modern casting, 1996(9):29～31
39 周丹晨，蒋玉明，杨屹．国外铸件充型凝固过程数值模拟软件介绍．热加工工艺,2000(5)：45～46
40 AFS Process Design&Modeling Committee.. Source of Casting Modeling Software. modern casting, 1997(10):27～29
41 AFS Process Design&Modeling Committee. 1999 Casting Simulation Software Survey. modern casting, 1999(5):47～51
42 Product Focus. Foundry Software. modern casting ,1996(9):37
43 郑人杰，殷人昆．软件工程概论．北京：清华大学出版社．1999
44 杨文龙，姚淑珍，吴芸．软件工程．北京：电子工业出版社．1998
45 郑人杰，殷人昆，陶永雷，实用软件工程(第二版)．北京：清华大学出版社．2000
46 邓良松，刘海岩，陆丽娜．软件工程．西安：西安电子科技大学出版社．2000
47 殷国富，陈永华．计算机辅助设计技术与应用．北京：科学出版社．2000
48 俞盘祥，沈金发．数据库系统原理．北京：清华大学出版社．1999
49 康博创作室．Microsoft SQL Server 7.0实用教程．北京：人民邮电出版社．1999
50 曹文君．知识库系统原理及其应用．上海：复旦大学出版社．1995
51 贾焰，王志英．知识库系统原理与技术．长沙：国防科技大学出版社．1993
52 殷国富．工程专家系统技术及其应用．成都：成都科技大学出版社．1993
53 ANSYS,INC. ANSYS APDL Programmer's Guide(Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
54 ANSYS,INC. Guide to Interfacing with ANSYS (Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
55 ANSYS,INC. ANSYS UIDL Programmer's Guide(Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
56 李存军，朱鑫，梁世庆．Visual C++6.0编程．成都：电子科技大学出版社．1999
57 王华，叶爱亮，祁立学，曹凌云．Visual C++6.0编程实例与技巧．北京：机械工业出版社．1999
58 (美)Kate Gregory．Visual C++6.0开发使用手册．北京：机械工业出版社．1999
59 美国ANSYS公司，ANSYS热分析指南
60 大中逸雄．计算机传热凝固解析入门—铸造过程中的应用．北京：机械工业出社．1988
61 焦玉琴．高铬铸铁件凝固过程温度场数值模拟的研究．四川大学硕士学位论文．2000
62 刘力菱．高铬铸铁件热应力场数值模拟的研究．四川大学硕士学位论文．2000
63 美国ANSYS公司，ANSYS非线性分析指南
64 美国ANSYS公司，ANSYS耦合场分析指南
65 李庆春．铸件形成理论基础．北京：机械工业出版社．1982
66 李魁盛．铸造工艺设计基础．北京：机械工业出版社．1980
67 北京机械工程学会铸造专业学会．铸造技术数据手册．北京：机械工业出版社．1993
68 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸铁分册)．北京：机械工业出版社．1992
69 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸钢分册)．北京：机械工业出版社．1992
70 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸造非铁合金分册)．北京：机械工业出版社．1992
71 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(造型材料分册)．北京：机械工业出版社．1992
72 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸造工艺分册)．北京：机械工业出版社．1992
73 周丹晨，蒋玉明，杨屹．基于ANSYS的铸件浇冒系统CAD的开发．铸造,Vol．50，2001(4)：211～214
74 肖存荣，陈立亮，刘瑞祥．铸造冒口CAD设计模块的研究开发．特种铸造及有色合金，2000(1)：42～44
75 刘瑞祥等．凝固模拟有限差分问题中的图形图像技术．特种铸造及有色合金．1999(2)：44～48
2 陈海清，李华基，曹阳．铸件凝固过程数值模拟．重庆：重庆大学出版社 1991
3 程军．计算机在铸造中的应用．北京：机械工业出版社．1993
4 王君卿．国内外铸造工艺过程计算机数值模拟的发展．第九届中国铸造学术会议论文集．1997：362～374
5 柳百成．铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展．铸造．1999(8)：40-45
6 蒋玉明，杨屹，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(一)．成都科技大学学报，1994(1)：32～39
7 杨屹，蒋玉明，梅筱琴．铸件凝固数值模拟和铸造工艺CAD的发展综述(二)．成都科技大学学报，1994(2)：95～102
8 杨全，张真．金属凝固与铸造过程数值模拟．杭州：浙江大学出版社．1996
9 张云鹏，杨秉俭，苏俊义，王贻青．铸件凝固组织数值模拟的研究进展．铸造．1997(10)：40～43
10 Dale Christensen and Pat Baker. Optimizing Casting Yield Using Computer Simulation modern casting, 1999(5):44～46
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18 赵海东，柳百成，房贵如．球墨铸铁微观组织数值模拟及其力学性能的研究进展．铸造．1999(10)：51～54
19 苏仕方，李殿中，徐雪华，王君卿．铸件微观组织计算机数值模拟技术进展．第九届中国铸造学术会议论文集．1997：375～379
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25 陈海涛．铸件凝固过程数值模拟．重庆：重庆大学出版社．1991
26 张世辉．铸件凝固过程计算机数值模拟软件在生产中的应用．铸造．1999(5)：18～20
27 甘舜仙．有限元技术与程序．北京理工大学出版社．1988
28 J.Lacaze, M.Castro, G.Lesoult. Solidification of Spheroid Graphite Cast Irons—Numerical Simulation. Acta mater. 1998(3):997～1010
29 孙逊，王君卿，苏仕方等．大型铸钢轧辊三维充型与凝固过程数值模拟．铸造：1998(2)：7～10
30 李永保．柳百成．熊守美．面向并行工程的铸造工艺集成CAD/CAE系统的研究．中国机械工程．1997(7)：35～37
31 李文珍．柳百成．铸钢件缩孔形成的三维定量模拟．铸造：1995(7)：1～5
32 高尚书．计算机技术及其在铸造行业中的应用．铸造：1995(6)：31～38
33 M.A. Wells, I.V. Samarasekera. Modeling the Microstructural Changes during Hot Tandem Rolling of AA5ⅩⅩⅩ Aluminum Alloys: Partl. Microstructural Evolution. Metallurgical and Materials: 1998(6):611～620
34 L. Natac, D.M. Stefanescu. Simulation of Microstructrue Evolution During Solidification of Inconel 718. AFS Transactions: 1996(193):425～434
35 孙立斌，许庆彦，柳百成等．大型铸钢件补浇工艺的凝固模拟研究．特种铸造及有色合金：2000(1)：45～48
36 张伟强，杨院生，胡壮麒．Al-CuAl_2共晶片层间距的数值模拟．金属学报：1998(1)：1～6
37 金俊泽，王宗廷，郑贤淑，姚山．金属凝固组织形成的仿真研究．金属学报．1998(9)：928～932
38 Dean H.Jensen. Survey Provides Profile of Casting Design Software Use. modern casting, 1996(9):29～31
39 周丹晨，蒋玉明，杨屹．国外铸件充型凝固过程数值模拟软件介绍．热加工工艺,2000(5)：45～46
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41 AFS Process Design&Modeling Committee. 1999 Casting Simulation Software Survey. modern casting, 1999(5):47～51
42 Product Focus. Foundry Software. modern casting ,1996(9):37
43 郑人杰，殷人昆．软件工程概论．北京：清华大学出版社．1999
44 杨文龙，姚淑珍，吴芸．软件工程．北京：电子工业出版社．1998
45 郑人杰，殷人昆，陶永雷，实用软件工程(第二版)．北京：清华大学出版社．2000
46 邓良松，刘海岩，陆丽娜．软件工程．西安：西安电子科技大学出版社．2000
47 殷国富，陈永华．计算机辅助设计技术与应用．北京：科学出版社．2000
48 俞盘祥，沈金发．数据库系统原理．北京：清华大学出版社．1999
49 康博创作室．Microsoft SQL Server 7.0实用教程．北京：人民邮电出版社．1999
50 曹文君．知识库系统原理及其应用．上海：复旦大学出版社．1995
51 贾焰，王志英．知识库系统原理与技术．长沙：国防科技大学出版社．1993
52 殷国富．工程专家系统技术及其应用．成都：成都科技大学出版社．1993
53 ANSYS,INC. ANSYS APDL Programmer's Guide(Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
54 ANSYS,INC. Guide to Interfacing with ANSYS (Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
55 ANSYS,INC. ANSYS UIDL Programmer's Guide(Release 5.5) . ANSYS Programmer's Manual. 1999
56 李存军，朱鑫，梁世庆．Visual C++6.0编程．成都：电子科技大学出版社．1999
57 王华，叶爱亮，祁立学，曹凌云．Visual C++6.0编程实例与技巧．北京：机械工业出版社．1999
58 (美)Kate Gregory．Visual C++6.0开发使用手册．北京：机械工业出版社．1999
59 美国ANSYS公司，ANSYS热分析指南
60 大中逸雄．计算机传热凝固解析入门—铸造过程中的应用．北京：机械工业出社．1988
61 焦玉琴．高铬铸铁件凝固过程温度场数值模拟的研究．四川大学硕士学位论文．2000
62 刘力菱．高铬铸铁件热应力场数值模拟的研究．四川大学硕士学位论文．2000
63 美国ANSYS公司，ANSYS非线性分析指南
64 美国ANSYS公司，ANSYS耦合场分析指南
65 李庆春．铸件形成理论基础．北京：机械工业出版社．1982
66 李魁盛．铸造工艺设计基础．北京：机械工业出版社．1980
67 北京机械工程学会铸造专业学会．铸造技术数据手册．北京：机械工业出版社．1993
68 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸铁分册)．北京：机械工业出版社．1992
69 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸钢分册)．北京：机械工业出版社．1992
70 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸造非铁合金分册)．北京：机械工业出版社．1992
71 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(造型材料分册)．北京：机械工业出版社．1992
72 中国机械工程学会铸造专业委员会．铸造手册(铸造工艺分册)．北京：机械工业出版社．1992
73 周丹晨，蒋玉明，杨屹．基于ANSYS的铸件浇冒系统CAD的开发．铸造,Vol．50，2001(4)：211～214
74 肖存荣，陈立亮，刘瑞祥．铸造冒口CAD设计模块的研究开发．特种铸造及有色合金，2000(1)：42～44
75 刘瑞祥等．凝固模拟有限差分问题中的图形图像技术．特种铸造及有色合金．1999(2)：44～48
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