材料成型CAE復(fù)習(xí).doc

題 型一、名詞解釋 本題5小題，每題3分，共15分二、選擇題 共5題；每小題2分，共10分三、填空題 本題共15空，每空1分，共15分四、簡(jiǎn)答題 本題4小題，每題10分，共40分 五、論述題 共1題，本題20分暫定第20周周二晚上，18:00-19:30，專業(yè)英語(yǔ)考試周三晚上,18:00-19:30，材料成型CAE技術(shù)及應(yīng)用A 考試具體地點(diǎn)另外通知。復(fù)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容如下。鑄造模擬軟件部分主要看這幾頁(yè)資料，塑料模擬軟件要根據(jù)我提的重點(diǎn)，復(fù)習(xí)教材中相關(guān)內(nèi)容。第一章CAE概念、應(yīng)用、發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)一、介紹本課程的主要內(nèi)容。1、CAE技術(shù)概述；2、鑄造CAE研究概況；3、鑄造成形數(shù)值模擬的原理；4、CAE的前期準(zhǔn)備；5、Anycasting軟件的使用。二、介紹CAE技術(shù)CAD、CAE、CAM等技術(shù)在鑄造領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用，并已成為鑄造學(xué)科的技術(shù)前沿和最為活躍的研究領(lǐng)域。它們分別指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD、計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM。1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD：是以計(jì)算機(jī)為主要手段來(lái)輔助設(shè)計(jì)者完成某項(xiàng)設(shè)計(jì)工作的建立、修改、分析和優(yōu)化、信息輸出等全部任務(wù)的綜合性高新技術(shù)。它的主要研究?jī)?nèi)容包括造型技術(shù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、綜合評(píng)價(jià)和信息交換等方面。造型技術(shù)：以各種數(shù)字化的圖形來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)方案，在解決了二維圖形問(wèn)題之后，目光集中在三維的圖形技術(shù)方面，曲面造型、實(shí)體造型、特征化造型、參數(shù)化設(shè)計(jì)等。優(yōu)化分析：在工程設(shè)計(jì)中要進(jìn)行各種分析，包括力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等?，F(xiàn)在可以把各種優(yōu)化分析的專用軟件集成到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中去，使設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行充分地分析、優(yōu)化所設(shè)計(jì)的方案。綜合評(píng)價(jià)：先進(jìn)的CAD軟件提供分塊、分層、剖切功能，三維CAD系統(tǒng)具備的實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)、縮放功能，使設(shè)計(jì)者感覺(jué)就像是面對(duì)完全真實(shí)的物體，可以剖視他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)行各種校驗(yàn)和評(píng)價(jià)。也可以仿真各個(gè)零件的裝配過(guò)程，給出準(zhǔn)確的裝配關(guān)系，自動(dòng)檢測(cè)干涉情況，為設(shè)計(jì)方案的修改提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。信息交換：CAD與CAD之間、CAD與CAE、CAD與CAM之間可以進(jìn)行信息溝通和資源共享。2、計(jì)算機(jī)輔助工程CAE，主要以有限元分析技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合了迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)而形成的一門綜合性、知識(shí)密集型的學(xué)科。又稱模擬仿真技術(shù)。主要是通過(guò)構(gòu)造能夠準(zhǔn)確描述研究對(duì)象的某一過(guò)程或?qū)傩缘臄?shù)學(xué)模型，利用合適的求解方式，設(shè)置合理的邊界條件和初始條件，得到研究對(duì)象的某一過(guò)程或?qū)傩缘那蠼饨Y(jié)果。預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)，提出科學(xué)、合理的對(duì)策、建議、方法。主要研究?jī)?nèi)容有：有限元分析：用有限元對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性、強(qiáng)度、振動(dòng)、熱變形、磁場(chǎng)強(qiáng)度、流場(chǎng)等進(jìn)行分析和研究，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、優(yōu)化工藝方案。模擬仿真：通過(guò)建模、求解、分析，模擬實(shí)際過(guò)程，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝方案。模擬仿真方法有有限差分法，邊界元法等。優(yōu)化設(shè)計(jì)：用參數(shù)優(yōu)化法進(jìn)行方案優(yōu)選。三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析和仿真：對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡、干涉校核進(jìn)行研究，為人們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)提供直觀的、可以仿真或交互的設(shè)計(jì)技術(shù)。3、計(jì)算機(jī)輔助制造CAM：利用計(jì)算機(jī)對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)、管理和控制，包括工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程和機(jī)器人編程等內(nèi)容。工藝設(shè)計(jì)主要是確定零件的加工方法、加工順序和所用設(shè)備。只要將鑄件圖樣、鑄型材料、鑄造合金熱物性參數(shù)、凝固特性及數(shù)學(xué)模型等輸入計(jì)算機(jī)，即可計(jì)算出合理的澆冒口系統(tǒng)。運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)值模擬技術(shù)可對(duì)設(shè)計(jì)的工藝進(jìn)行屏幕試澆，模擬鑄件凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)凝固缺陷、微觀組織、殘余應(yīng)力；再利用先進(jìn)的圖像顯示技術(shù)對(duì)屏幕試澆結(jié)果做逼真的三維圖像顯示，對(duì)缺陷位置、程度進(jìn)行全面的評(píng)估，從而提出工藝改進(jìn)措施，進(jìn)行新一輪工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化、屏幕試澆、工藝校核。CAD、CAE、CAM的綜合利用，可以從全局出發(fā)，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短制造周期。CAE工程分析是現(xiàn)代裝備制造業(yè)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域內(nèi)必不可少的關(guān)鍵步驟，一般在CAD之后，CAM之前進(jìn)行。鑄造成型CAE一、什么是鑄造成型CAE鑄造成型CAE是基于有限分析（有限元及有限差分技術(shù)）的模擬優(yōu)化技術(shù)，包括充型過(guò)程模擬、凝固過(guò)程模擬、應(yīng)力應(yīng)變分析、微觀組織模擬等，為制定合理的鑄造工藝提供有力的指導(dǎo)。二、數(shù)值模擬的步驟是：1、分析實(shí)際問(wèn)題，建立能反映此問(wèn)題的物理模型2、根據(jù)物理模型找出支配過(guò)程的主要參數(shù)并建立能描述實(shí)際過(guò)程的基本方程或數(shù)學(xué)模型3、尋求說(shuō)明此實(shí)際過(guò)程的各項(xiàng)單值條件，如幾何條件、物性條件、初始條件、邊界條件等4、將基本方程所涉及的區(qū)域在空間上和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，使之形成一系列的微小單元或節(jié)點(diǎn)5、 在所有單元上建立由基本方程及定解條件轉(zhuǎn)換而成的數(shù)值計(jì)算方程組6、 選用適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法求解方程組7、 結(jié)果處理成各種數(shù)據(jù)、圖形或其他文件三、常用的數(shù)值計(jì)算方法有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）；有限差分法（Finite Difference Method，F(xiàn)DM）邊界元法（Boundary Element Method，BEM）；直接差分法（Direct Finite Difference Method，DFDM）。鑄造CAE最常用的是有限差分法和有限元法。有限差分法一般用于充型凝固模擬，有限元法常用于壓鑄模具的力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1、邊界元法【定義】將力學(xué)中的微分方程的定解問(wèn)題化為邊界積分方程的定解問(wèn)題，再通過(guò)邊界的離散化與待定函數(shù)的分片插值求解的數(shù)值方法 【特點(diǎn)】邊界元法通過(guò)選擇合適的權(quán)函數(shù)使其中體積積分項(xiàng)為零，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化成僅僅對(duì)邊界進(jìn)行線積分，意味著將實(shí)際問(wèn)題降低一維來(lái)處理；對(duì)網(wǎng)格劃分沒(méi)有嚴(yán)格限制；對(duì)于穩(wěn)態(tài)問(wèn)題甚至無(wú)須處理內(nèi)部區(qū)域，只須對(duì)邊界進(jìn)行分割即可；但邊界元法的公式推導(dǎo)及運(yùn)算過(guò)程都比較復(fù)雜，計(jì)算工作量也較大。尤其對(duì)非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，內(nèi)部區(qū)域仍須網(wǎng)格劃分?！緫?yīng)用】對(duì)于邊界變量變化梯度較大的問(wèn)題 ，如應(yīng)力集中問(wèn)題 ，或邊界變量出現(xiàn)奇異性的裂紋問(wèn)題，邊界元法被公認(rèn)為比有限元法更加精確高效。由于邊界元法所利用的微分算子基本解能自動(dòng)滿足無(wú)限遠(yuǎn)處的條件，因而邊界元法特別便于處理無(wú)限域以及半無(wú)限域問(wèn)題。2、有限元法有限元的基本概念：有限元法的實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)無(wú)限的連續(xù)體理想化為有限個(gè)單元的組合體，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問(wèn)題，且在一定的條件下，問(wèn)題簡(jiǎn)化后求得的近似解能趨近于真實(shí)解。（1）【特點(diǎn)】節(jié)點(diǎn)可任意配置，邊界適應(yīng)性好；適應(yīng)任意支撐條件和載荷；計(jì)算精度與網(wǎng)格疏密和單元形態(tài)有關(guān)，精度可控；離散算法復(fù)雜，對(duì)硬件的要求高。（2）【中心思想】將一個(gè)連續(xù)求解域（對(duì)象）離散（剖分）成有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單的子域（單元），利用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)將各子域連接起來(lái)，使其分別承受相應(yīng)的等效節(jié)點(diǎn)載荷（如應(yīng)力載荷、熱載荷、流速載荷等），并傳遞子域間的相互作用；在此基礎(chǔ)上，借助子域插值函數(shù)和“平衡”條件構(gòu)建各子域的物理場(chǎng)控制方程；將這些方程按照某種規(guī)則組合起來(lái)，在給定的初始條件和邊界條件下進(jìn)行綜合計(jì)算求解，從而獲得對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的近似數(shù)值解。（3）【優(yōu)越性】能夠分析形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；能夠處理復(fù)雜的邊界條件；能夠保證規(guī)定的工程精度；能夠處理不同類型的材料（4）【應(yīng)用】最初應(yīng)用在固體力學(xué)領(lǐng)域，逐步推廣到溫度場(chǎng)、流體場(chǎng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域。在固體力學(xué)領(lǐng)域，主要用于線性靜力分析、動(dòng)態(tài)分析，也用于非線性、熱應(yīng)力、接觸、蠕變、斷裂、加工模擬、碰撞模擬等特殊問(wèn)題的研究。有限元法分析的基本過(guò)程：有限元軟件分為前處理、分析計(jì)算和后處理三大部分：（5）【各階段的任務(wù)】 前處理前處理模塊的主要功能是構(gòu)建分析對(duì)象的幾何模型、定義屬性以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散劃分單元；前處理的任務(wù)就是實(shí)際問(wèn)題或設(shè)計(jì)方案抽象為能為數(shù)值計(jì)算提供所有數(shù)據(jù)的有限元模型，故又稱建模。該模型定量反映了分析對(duì)象的幾何、材料、載荷、約束等各個(gè)方面的特性。建模的中心任務(wù)是離散，還包括與之相關(guān)的其他工作，如單元結(jié)構(gòu)形式處理、幾何模型建立、單元類型和數(shù)量選擇、單元特性定義、單元質(zhì)量檢查以及模型邊界條件的定義等 計(jì)算分析計(jì)算模塊則對(duì)單元進(jìn)行分析與集成，并最終求解得到各未知場(chǎng)量；計(jì)算的任務(wù)是基于有限元模型完成有關(guān)的數(shù)值計(jì)算，并輸出需要的計(jì)算結(jié)果。主要工作包括單元和總體剛度矩陣的形成、邊界條件的處理和特性方程的求解。該工作主要由計(jì)算機(jī)完成，除計(jì)算前需要對(duì)計(jì)算方法、計(jì)算內(nèi)容、計(jì)算參數(shù)和工況條件等進(jìn)行必要的設(shè)置和選擇外，一般不需要人的干預(yù)。 后處理后處理的任務(wù)是對(duì)計(jì)算輸出的結(jié)果進(jìn)行必要的處理，并按一定方式顯示或打印出來(lái)，以便對(duì)分析對(duì)象的性能或設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析、評(píng)估，做出相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化。（6）【有限元建模的重要性】影響結(jié)果精度。模型的誤差直接決定計(jì)算結(jié)果的精度。如果模型本身不合理，即使計(jì)算方法再精確，也不可能得到高精度的分析結(jié)果。模型的形式是決定結(jié)果精度的主要因素。影響計(jì)算過(guò)程。不同的模型所需要的計(jì)算時(shí)間和存儲(chǔ)容量可能相差很大，不合理的模型還可能導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程死循環(huán)或終止。對(duì)人員要求高。分析需要綜合考慮的因素很多，所以要求分析人員有相應(yīng)的專業(yè)知識(shí)、有限元知識(shí)和軟件使用技能等?；ㄙM(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。分析人員可把計(jì)算過(guò)程作為“黑匣子”來(lái)對(duì)待，而把主要精力集中在建模上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建?；ㄙM(fèi)的時(shí)間約占整個(gè)分析時(shí)間的70%左右。提高建模速度是縮短分析周期的關(guān)鍵。（7）模型的定義包括：節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，單元數(shù)據(jù)，邊界條件數(shù)據(jù)（8）建立有限元模型的一般步驟：?jiǎn)栴}定義-幾何模型建立-單元選擇-單元特性定義-網(wǎng)格劃分-模型檢查和處理-邊界條件定義-計(jì)算-結(jié)果比較-模型修正（9）【有限元建模的基本原則】建立網(wǎng)格模型時(shí)需要考慮的因素很多，不同分析問(wèn)題所考慮的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。但都應(yīng)考慮兩條基本原則：一是保證計(jì)算結(jié)果的精度，二是要適當(dāng)控制模型的規(guī)模。3 有限差分法【定義】把基本方程和邊界條件（一般為微分方程）近似地改用差分方程表示，把求解微分方程的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為求解代數(shù)方程的問(wèn)題。【特點(diǎn)】差分公式導(dǎo)出簡(jiǎn)單、計(jì)算成本低、但其穩(wěn)定性要求決定了在離散化時(shí)對(duì)距離步長(zhǎng)與時(shí)間步長(zhǎng)的選用受到一定制約。網(wǎng)格劃分規(guī)整，無(wú)需構(gòu)建形函數(shù)，不存在單元分析和整體分析。一般要求對(duì)物體作有規(guī)則網(wǎng)格劃分，對(duì)于復(fù)雜或不規(guī)則的幾何形狀的分析精度受到影響?！局行乃枷搿繉⑦B續(xù)求解域劃分成差分網(wǎng)格（最簡(jiǎn)單的差分網(wǎng)格為矩形網(wǎng)格），用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)代替原連續(xù)求解域，用差商代替控制微分方程中的導(dǎo)數(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立含有限個(gè)未知數(shù)的節(jié)點(diǎn)差分方程組；代入初始條件和邊界條件后求解差分方程組，該差分方程組的解就是原微分方程定解問(wèn)題的數(shù)值近似解?！緲?gòu)造有限差分的方法】 方法很多，主要有（1）數(shù)值微分法；（2）積分插值法；（3）待定系數(shù)法（4）泰勒(Taylor)級(jí)數(shù)展開法等。目前普遍采用泰勒(Taylor)級(jí)數(shù)展開法，即將展開式中求解連續(xù)場(chǎng)控制方程的導(dǎo)數(shù)用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上函數(shù)值的差商代替，進(jìn)而建立起基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)函數(shù)為未知量的代數(shù)方程組。第二章 鑄造成型過(guò)程數(shù)值模擬概況三、鑄造成形CAE軟件學(xué)習(xí)的目的及意義1、研究目的。鑄造成形過(guò)程數(shù)值模擬涉及到鑄造理論與實(shí)踐、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、多媒體技術(shù)、可視化技術(shù)、三維造型、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、彈塑性力學(xué)等多種學(xué)科，是典型的多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域。最終的研究目的是在計(jì)算機(jī)虛擬的環(huán)境下，通過(guò)交互方式，能夠制定合理的鑄造工藝，而不需要到現(xiàn)場(chǎng)去做試生產(chǎn)，從而可以大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低廢品率，提高經(jīng)濟(jì)效益。2、研究意義鑄造是機(jī)械產(chǎn)品毛坯的重要生產(chǎn)方法， 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。隨著世界統(tǒng)一市場(chǎng)的形成和發(fā)展，鑄造企業(yè)面臨著日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的試錯(cuò)法鑄造設(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式已不能適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)企業(yè)的要求。鑄造企業(yè)必須變革傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式、引進(jìn)新技術(shù)、新方法。鑄造工藝CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用并成為改造傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的高新技術(shù)，為企業(yè)提高鑄件質(zhì)量、贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)揮重要作用。CAD/CAE技術(shù)已經(jīng)逐漸深入鑄造領(lǐng)域并應(yīng)用于鑄件的產(chǎn)品與工藝研究，為促進(jìn)鑄造企業(yè)的技術(shù)改造和進(jìn)步帶來(lái)了全新的活力。21世紀(jì)鑄造成形加工技術(shù)的總目標(biāo)是高質(zhì)量、短周期及低成本。圍繞此目標(biāo)，世界各國(guó)鑄造成形加工技術(shù)的研究方向：一是重大工程中的特大型鑄件的關(guān)鍵鑄造技術(shù)；二是精確成形技術(shù)（Net Shape Casting），例如鑄件的輕量化、強(qiáng)韌化、精密化及工藝的復(fù)合化將是精確鑄造成形技術(shù)發(fā)展的主要內(nèi)容；三是計(jì)算機(jī)模擬仿真及優(yōu)化技術(shù)逐步替代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性研究方法。鑄造工藝CAD和CAE技術(shù)的主要功能：采用鑄造工藝CAD及過(guò)程模擬仿真技術(shù)（簡(jiǎn)稱鑄造CAE技術(shù)）可以快速設(shè)計(jì)及優(yōu)化鑄造工藝，并可用電腦澆注的方法來(lái)可視化地顯示出鑄造全過(guò)程以及缺陷形成過(guò)程。這可以徹底改變傳統(tǒng)鑄造工藝方案制定過(guò)程中的不確定性，確保工藝的可行性和鑄件質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，是鑄造工藝由“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的重要途徑，對(duì)提高鑄造企業(yè)的生產(chǎn)水平和競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究意義有以下兩點(diǎn)：1、工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段和工具工程和制造企業(yè)的生命力在于工程/產(chǎn)品的創(chuàng)新，而對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵，除了設(shè)計(jì)思想和概念之外，最主要的技術(shù)手段，就是采用先進(jìn)可靠的CAE軟件.2、科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新研究的重要手段科學(xué)計(jì)算是現(xiàn)代科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)研究的三大手段之一。它可以幫助科學(xué)家揭示用物質(zhì)實(shí)驗(yàn)手段尚不能表現(xiàn)的科學(xué)奧秘和科學(xué)規(guī)律。同時(shí)，它也是工程科學(xué)家的研究成果-理論、方法和科學(xué)數(shù)據(jù)-的歸屬之一，做成軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，成為推動(dòng)工程和社會(huì)進(jìn)步的最新生產(chǎn)力。四、 研究?jī)?nèi)容1、溫度場(chǎng)模擬：利用傳熱學(xué)原理，分析材料成型的傳熱過(guò)程，模擬鑄件的冷卻凝固過(guò)程及相關(guān)缺陷等。傳熱的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射。（1）熱傳導(dǎo)：在流體（液體、氣體）和固體接觸的場(chǎng)合，即使是流體一側(cè)，在邊界面上也仍然會(huì)因熱傳導(dǎo)而引起熱的流動(dòng)，即傳導(dǎo)傳熱。熱傳導(dǎo)時(shí)，導(dǎo)熱的基本定律是傅里葉定律，比熱流量；，導(dǎo)熱系數(shù)；T，溫度；x，坐標(biāo)值。（2）熱對(duì)流：在流體的場(chǎng)合，不僅會(huì)因熱傳導(dǎo)，而且也會(huì)由于流體的流動(dòng)而引起熱的流動(dòng)，即對(duì)流傳熱。熱對(duì)流時(shí)，對(duì)流換熱用Newton冷卻定律描述。，q，熱流密度；a，對(duì)流換熱系數(shù)；，流體的特征溫度；，固體邊界溫度。（3）熱輻射：在液體金屬等高溫物體的表面，主要是熱輻射傳熱。熱輻射時(shí)，輻射換熱用Stefen-Bolt-sman定律來(lái)描述。，q，熱流密度；，表面的熱力學(xué)溫度；，輻射黑度；，Stefen-Bolt-sman常數(shù)。傳熱分析的常用數(shù)值方法：有限差分法、有限元法、直接差分法、邊界元法（1）有限差分法：其實(shí)質(zhì)就是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)網(wǎng)格單元，將微分問(wèn)題化為差分問(wèn)題，離散化得到差分格式，利用差分格式來(lái)求解相應(yīng)問(wèn)題。用有限差分法求解不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程（溫度隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的導(dǎo)熱即為不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程）的步驟：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程所涉及的區(qū)域在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散化處理；設(shè)定物性條件、初始條件、邊界條件；寫出單元差分格式；將求解的過(guò)程編成計(jì)算程序，由計(jì)算機(jī)算出結(jié)果，得到溫度場(chǎng)相關(guān)結(jié)果。（2）有限元法：其實(shí)質(zhì)就是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，通過(guò)構(gòu)造插值函數(shù)，把問(wèn)題化為一個(gè)變分問(wèn)題（即求泛函數(shù)值的問(wèn)題），經(jīng)過(guò)離散化得到計(jì)算格式，利用計(jì)算格式來(lái)求解相應(yīng)問(wèn)題。求解步驟：將不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程所涉及的區(qū)域在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散化處理；設(shè)定物性條件、初始條件和邊界條件；寫出單元泛函數(shù)表達(dá)式；構(gòu)造每個(gè)單元的插值函數(shù)；求得泛函數(shù)極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式；構(gòu)造代數(shù)方程組；將求解的過(guò)程編成計(jì)算程序，由計(jì)算機(jī)算出結(jié)果，得到溫度場(chǎng)相關(guān)結(jié)果。有限元法具有很大的靈活性和適應(yīng)性，并且便于與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，但數(shù)據(jù)準(zhǔn)備復(fù)雜、對(duì)硬件設(shè)備要求高。2、流動(dòng)場(chǎng)模擬：利用流體力學(xué)原理，分析鑄件充型過(guò)程，從而優(yōu)化澆注系統(tǒng)、預(yù)測(cè)卷氣、夾渣等缺陷?；靖拍睿?）流體：一般情況下，是指一種在微小切應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生連續(xù)變形的物質(zhì)。一般流體都有如下基礎(chǔ)屬性：在不受外力作用的情況下，流體沒(méi)有它自己的形狀。材料加工過(guò)程中遇到的絕大多數(shù)流體都是滿足這一條件的牛頓流體。（2）恒定流動(dòng)和非恒定流動(dòng)。隨時(shí)間而變化的流動(dòng)稱為非恒定流動(dòng)；不隨時(shí)間變化的流動(dòng)稱為恒定流動(dòng)。具體是根據(jù)場(chǎng)合而定。如紊流問(wèn)題，從微觀講是非恒定流動(dòng)，但如果考慮某段時(shí)間的平均值的話，則可以當(dāng)作恒定流動(dòng)。（3）層流和紊流：層流是流體的流線不相互摻混、井然不亂的一種流動(dòng)方式；紊流是指流線相互摻混的一種流動(dòng)方式。（4）粘性流和牛頓流體：具有粘性的液體的流動(dòng)稱為粘性流，所謂粘性是指流體變形的時(shí)候產(chǎn)生的阻力或能量損失。如果阻力與變形速度成正比，這樣的粘性流體稱為牛頓流體，這個(gè)比例系數(shù)就是粘度。流動(dòng)分析的主要方法：SIMPLE方法、MAC及SMAC方法、SOLA-VOF方法、SOLAMAC方法、FAN方法、Finite Volume方法、格子氣模型。3、流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算：利用流體力學(xué)與傳熱學(xué)原理，在模擬流動(dòng)場(chǎng)的同時(shí)計(jì)算傳熱，可以預(yù)測(cè)鑄造充型過(guò)程產(chǎn)生的澆不足、冷隔等缺陷，同時(shí)得到充型結(jié)束的溫度分布。4、應(yīng)力場(chǎng)模擬：利用力學(xué)原理，分析鑄件的應(yīng)力分布，預(yù)測(cè)熱裂、冷裂、變形等缺陷。5、組織模擬：分宏觀、介觀、微觀組織模擬，利用一些數(shù)學(xué)模型，如monte carlo，計(jì)算形核數(shù)、枝晶生長(zhǎng)速度、組織轉(zhuǎn)變，預(yù)測(cè)力學(xué)性能。（1）材料加工領(lǐng)域的微觀組織模擬，主要是指在微觀的尺度（1微米0.1毫米）上對(duì)成形工件的溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、形核、晶粒長(zhǎng)大以及枝晶生長(zhǎng)等變化過(guò)程進(jìn)行的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。微觀組織是決定工件力學(xué)性能和使用性能的關(guān)鍵因素，以往對(duì)于凝固組織的研究主要是采用試驗(yàn)的方法，對(duì)不同條件下制備的試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，以得出其組織形成的規(guī)律性。這種方法雖然具有直觀性和可操作性，但費(fèi)用高、工作量大，并且具有一定的盲目性。對(duì)合金凝固過(guò)程的微觀組織進(jìn)行數(shù)值模擬，可以在較少工作量的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)工件微觀組織的形成，進(jìn)而預(yù)測(cè)工件的機(jī)械性能，獲得主要工藝參數(shù)與最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。（2）液態(tài)合金凝固過(guò)程的微觀組織模擬，分為三個(gè)層次宏觀尺度（1cm1m），液態(tài)金屬的流動(dòng)與凝固可以用能量、動(dòng)量及溶質(zhì)守恒方程來(lái)計(jì)算。微觀尺度（1m0.1mm），可以用相場(chǎng)等方法研究枝晶生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)和凝固路徑。相場(chǎng)模型綜合考慮了溶質(zhì)守恒方程和平衡相圖特征及固液界面的擴(kuò)散機(jī)理。介觀尺度（0.110mm），介于兩者之間的是晶粒尺度模擬。（另有原子尺度，0.11nm），研究固液界面原子的擴(kuò)散。（3）液態(tài)合金凝固組織模擬的數(shù)理基礎(chǔ)A、形核模型形核過(guò)程是液體中的游動(dòng)原子集團(tuán)逐漸長(zhǎng)大到一定尺寸并形成固體質(zhì)點(diǎn)（即穩(wěn)定的原子集團(tuán)）使周圍原子能向上堆砌的過(guò)程。晶體的生長(zhǎng)是液相中原子向晶體表面堆砌的過(guò)程，也是固-液界面不斷向前推移的過(guò)程。晶體的生長(zhǎng)主要受以下影響：界面前沿的溫度條件；界面的結(jié)構(gòu)；對(duì)合金而言，還與界面前的濃度及合金本身的性質(zhì)有關(guān)。目前存在連續(xù)形核模型、瞬時(shí)形核模型、準(zhǔn)連續(xù)形核模型三種。一般而言，對(duì)于具有很窄結(jié)晶區(qū)間的合金，推薦使用瞬時(shí)形核模型，可以節(jié)省運(yùn)算時(shí)間。但為了更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，應(yīng)采用連續(xù)形核模型。B、生長(zhǎng)模型固相晶核形成后，緊接著就是晶粒的生長(zhǎng)過(guò)程。晶粒生長(zhǎng)模型的建立主要是為了計(jì)算晶粒的生長(zhǎng)速率，其基本理論仍然是基于與熱擴(kuò)散和溶質(zhì)擴(kuò)散相同的連續(xù)理論。由于共晶合金和枝晶合金的晶粒結(jié)構(gòu)不同，一個(gè)是等軸晶一個(gè)是柱狀晶，因此對(duì)應(yīng)有兩種不同的生長(zhǎng)模型。（4）組織模擬的數(shù)值方法A、確定性模擬方法：依據(jù)經(jīng)典形核和枝晶生長(zhǎng)理論，認(rèn)為型壁或液相中晶粒的形核密度和晶粒生長(zhǎng)速度是過(guò)冷度的函數(shù)，并對(duì)晶粒形態(tài)進(jìn)行了近似處理，如將等軸晶視為球狀，柱狀晶視為圓柱狀等，忽略了枝晶的晶體學(xué)生長(zhǎng)特征，著重于工件中的晶?？倲?shù)、各區(qū)域的平均晶粒尺寸和平均二次枝晶臂間距的模擬。這種方法完全不考慮晶粒形核和生長(zhǎng)過(guò)程中的一些隨機(jī)因素，所以從相同的初始條件開始計(jì)算會(huì)得到完全一樣的結(jié)果。B、隨機(jī)性模擬方法：采用概率方法來(lái)研究晶粒的形核和長(zhǎng)大，包括形核位置的隨機(jī)分布和晶粒晶向的隨機(jī)取向，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示每個(gè)晶粒的具體形態(tài)及其生長(zhǎng)演變。凝固過(guò)程中的傳質(zhì)過(guò)程以及能量和結(jié)構(gòu)起伏是隨機(jī)過(guò)程，因此采用概率方法來(lái)研究微觀組織的形成過(guò)程更能接近實(shí)際，隨機(jī)性模型比確定性模型更成熟。主要有Monte-Carlo方法和自動(dòng)元胞機(jī)方法。C、相場(chǎng)法：是模擬凝固組織、界面形貌廣泛選用的方法。相場(chǎng)模型通過(guò)引入在界面處急劇變化但連續(xù)的相場(chǎng)變量（=1時(shí)為固相，=-1或0時(shí)，表示液相），考慮有序化勢(shì)與熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力的綜合作用來(lái)建立相場(chǎng)方程，其解課描述金屬系統(tǒng)中固液界面的形態(tài)和界面的移動(dòng)，從而避免了跟蹤復(fù)雜固液界面的困難。此外，相場(chǎng)法通過(guò)相場(chǎng)與溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)及其它外部場(chǎng)的耦合，在液態(tài)金屬凝固過(guò)程中有效地將微觀與宏觀尺度相結(jié)合。五、鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀1996年美國(guó)在下一代制造計(jì)劃(NGM)中就將建模與仿真作為10項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。我國(guó)鑄造行業(yè)率先引入計(jì)算機(jī)技術(shù)的是鑄造過(guò)程數(shù)值模擬領(lǐng)域。沈陽(yáng)鑄造研究所和大連工學(xué)院在這一方面做了開拓性的工作。1978年，在葛洲壩電站的水輪機(jī)葉片的鑄造工藝研究中，沈陽(yáng)鑄造研究所的張毅、王君卿等人開展了鑄件凝固過(guò)程溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬。大連工學(xué)院的金俊澤等人對(duì)大型船用銅螺旋槳的凝固過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。此后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華北工學(xué)院都先后開展了溫度場(chǎng)模擬的研究1982年開始，大連工學(xué)院的鄭賢淑、金俊澤等人開始了鑄造應(yīng)力的數(shù)值模擬的研究。此后，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海工業(yè)大學(xué)等也都開展了應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析工作。在鑄造充型過(guò)程的數(shù)值模擬方面，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，鑄造充型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)比較成熟和完善，并進(jìn)入了廣泛的實(shí)用化研究階段。對(duì)于鑄造過(guò)程熱應(yīng)力模擬來(lái)說(shuō)，目前處于理論研究階段，能夠準(zhǔn)確描述高溫狀態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型還沒(méi)有建立，缺乏高溫狀態(tài)合金的物性參數(shù)也嚴(yán)重阻礙了應(yīng)力模擬系統(tǒng)的生產(chǎn)應(yīng)用。微觀組織模擬在20世紀(jì)90年代成為研究的熱點(diǎn)，一些研究對(duì)球墨鑄鐵、鋁合金等鑄件微觀組織形成過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，取得了可喜的成果。但在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。20世紀(jì)90年代鑄造數(shù)值模擬技術(shù)研究范圍有早期的普通重力鑄造發(fā)展到低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、實(shí)型鑄造、電磁鑄造、電渣鑄造甚至型砂緊實(shí)過(guò)程的數(shù)值模擬。這一期間另一大成就是溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)以及流動(dòng)與傳熱的耦合計(jì)算等技術(shù)進(jìn)入到了實(shí)用階段，出現(xiàn)了鑄造模擬商品化軟件系統(tǒng)?！捐T造數(shù)值模擬的應(yīng)用現(xiàn)狀】自從20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，各國(guó)都對(duì)鑄件數(shù)值模擬開展了研究，舉行了很多相關(guān)國(guó)際會(huì)議，也見(jiàn)到了大量的研究論文。據(jù)Jolly統(tǒng)計(jì)，已有36種相關(guān)軟件。但這不是一個(gè)全面的統(tǒng)計(jì)，未包括像中國(guó)等一些發(fā)展中國(guó)家的相關(guān)軟件。最著名的德國(guó)MAGMA公司的MAGMASOFT已經(jīng)在20多個(gè)國(guó)家300個(gè)鑄造企業(yè)中應(yīng)用，包括中國(guó)的9家鑄造廠。但購(gòu)置軟件的切也只有很少部分的鑄件實(shí)用模擬軟件進(jìn)行分析。【取得的成就】從鑄造的角度來(lái)講希望和要求模擬軟件可以預(yù)測(cè)所有的缺陷及其類型和位置，例如冷隔、澆不足、氣孔、縮孔、縮松、縮沉、夾渣、夾砂、冷裂、熱裂、應(yīng)力、變形、尺寸、微觀組織和性能。目前，已經(jīng)取得了相當(dāng)成就，許多軟件可以預(yù)測(cè)多種類型的缺陷和位置，并且朝著預(yù)測(cè)更多種缺陷的方向發(fā)展。【未能普及的原因】1）鑄造業(yè)本身的問(wèn)題a.鑄造業(yè)對(duì)新技術(shù)跟進(jìn)的步伐較慢鑄造業(yè)作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)，擁有數(shù)千年的悠久歷史，長(zhǎng)期以來(lái)在沒(méi)有計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的情況成長(zhǎng)和發(fā)展。雖然近些年許多鑄造設(shè)備應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，提高了生產(chǎn)率和鑄件的精度。但總體上，鑄造產(chǎn)業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)和數(shù)字技術(shù)的需求，特別是工藝設(shè)計(jì)上不像其他產(chǎn)業(yè)那么強(qiáng)烈。b.鑄造生產(chǎn)過(guò)程控制不夠嚴(yán)格鑄造生產(chǎn)時(shí)，大多采用手工澆注，澆注時(shí)金屬流直徑、澆包包嘴到澆口盆距離及入流速度變化范圍大。雖然近些年鑄造廠對(duì)澆注溫度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，但有時(shí)實(shí)際的澆注溫度變化范圍仍可能在20，這會(huì)給計(jì)算結(jié)果的精確性造成影響。另外，金屬液化學(xué)成分的變化，金屬凝固收縮特性的變化，造型材料性能的變化，鑄型硬度的變化等都會(huì)對(duì)結(jié)果的精確性造成影響。如果沒(méi)有嚴(yán)格的生產(chǎn)控制，計(jì)算機(jī)模擬就難以有好的應(yīng)用結(jié)果。c.技術(shù)人員的培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)積累不夠模擬軟件可以用于改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)量、成品率，但仍需要有經(jīng)驗(yàn)的鑄造工藝人員來(lái)操作實(shí)用才能達(dá)到預(yù)期效果。因此對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)和知識(shí)的不斷更新是必不可少的。此外堅(jiān)持不懈地應(yīng)用、積累經(jīng)驗(yàn)也同樣重要。很多企業(yè)缺乏有經(jīng)驗(yàn)的鑄造工藝人員操作使用軟件，缺少必要的培訓(xùn)。認(rèn)為購(gòu)置了模擬軟件就能立竿見(jiàn)影，提高產(chǎn)量和成品率是對(duì)模擬軟件的誤解。2）模擬軟件本身的問(wèn)題模擬軟件未能滿足鑄造的需要，常常不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)缺陷及其位置。例如有些鑄件設(shè)計(jì)完工藝，軟件模擬顯示最火 凝固的位置在冒口中表明鑄件中不會(huì)出現(xiàn)縮孔和縮松，實(shí)際生產(chǎn)出的鑄件還是有大約40%的廢品。加大冒口后，還是有大比例的廢品，實(shí)際上不能僅從加大冒口來(lái)解決，可以通過(guò)改變冒口頸形狀、減小冒口頸模數(shù)、加快澆注澆注速度方面綜合考慮。另外就是投資效益問(wèn)題。不少軟件商宣傳說(shuō)采用模擬軟件后由于減少?gòu)U品率，提高成品率，將很快得到回報(bào)，但廠家發(fā)現(xiàn)采用模擬軟件后并非很快得到效益的回報(bào)?！具M(jìn)一步研究和發(fā)展】為了滿足鑄造生產(chǎn)的實(shí)際需求，數(shù)值模擬要在以下幾方面進(jìn)一步研究和發(fā)展。1）鑄件凝固的物理模型和計(jì)算機(jī)數(shù)值解鑄件的成形是一個(gè)復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)物理和化學(xué)過(guò)程。其中有充型流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)相變、凝固收縮等物理過(guò)程以及鑄件與鑄型相互作用的物理化學(xué)過(guò)程。這些過(guò)程都要滿足質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒定律。這些過(guò)程對(duì)數(shù)學(xué)模型的結(jié)果、鑄件的質(zhì)量并非有同等的作用，一些次要的過(guò)程必須忽略以使過(guò)程方程可以建立并求解。但對(duì)這些過(guò)程需要進(jìn)行評(píng)估以確定哪些必須考慮，哪些可以忽略，在這方面還需要開展進(jìn)一步的工作。對(duì)于充型完畢后凝固開始直至凝固完成期間的兩相流動(dòng)問(wèn)題還沒(méi)有物理模型加以描述。沒(méi)有直接描述凝固收縮過(guò)程的較好的物理模型，也沒(méi)有直接描述鑄件與鑄型相互作用的物理模型。即使有了合理的物理模型及正確的數(shù)學(xué)模型，還需要有一個(gè)獲得穩(wěn)定、可靠和正確的數(shù)值解的方法。目前的求解方法對(duì)傳熱方程可以取得相當(dāng)精確的結(jié)果，而對(duì)于充型過(guò)程所計(jì)算的精確性常受到限制。2）鑄件的三維成形目前許多三維成形軟件未能完全精確地表示鑄件的形狀，特別是一些復(fù)雜的過(guò)渡曲面。這些地方或許對(duì)鑄件整體形狀尺寸影響不大，但對(duì)流動(dòng)過(guò)程、凝固進(jìn)程有重要影響，因而影響模擬計(jì)算的結(jié)果。3）初始條件對(duì)很多情況，確定正確的初始條件并非一件容易的事。對(duì)于初始條件，一方面是要確定得盡可能準(zhǔn)確，另一方面要求生產(chǎn)過(guò)程控制嚴(yán)格使初始條件變化范圍較小。4）邊界條件邊界條件包括鑄件與鑄型以及鑄型與空氣之間的邊界條件。鑄型與外界空氣之間邊界條件相對(duì)比較容易確定，而鑄件與鑄型之間邊界條件就很難確定。例如在鑄造時(shí)鑄件和鑄型之間的間隙的變化可以從小逐漸增大，也可以從小增大再逐漸減小甚至為零（對(duì)鑄鐵在某些條件下）。一般都設(shè)定鑄件和鑄型、鑄型和外界空氣之間的傳熱系數(shù)為定值。目前研究工作還在進(jìn)行，以期準(zhǔn)確測(cè)量鑄件和鑄型之間的傳熱系數(shù)。5）熱物性數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的熱物性數(shù)據(jù)（如材料的導(dǎo)熱性、熱容等）是模擬軟件鞥能夠準(zhǔn)確第模擬鑄件凝固過(guò)程的關(guān)鍵。而這些數(shù)據(jù)測(cè)量又非常困難，同時(shí)這些數(shù)據(jù)在凝固過(guò)程中是變化的。6）鑄件缺陷的預(yù)測(cè)及顯示到目前為止，凝固模擬尚未能真正顯示可能出現(xiàn)的缺陷。所計(jì)算預(yù)測(cè)的熱流，不同時(shí)間溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果往往是通過(guò)各種經(jīng)驗(yàn)判據(jù)公式來(lái)確定是否出現(xiàn)缺陷，或其他可視方法來(lái)顯示可能出現(xiàn)的缺陷及其范圍大小，或可能形成的微觀組織。鑄件缺陷的預(yù)測(cè)既受計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性的影響，也受經(jīng)驗(yàn)判據(jù)公式的可靠性及適用范圍的影響。7）鑄造工藝的改進(jìn)和優(yōu)化計(jì)算機(jī)只能預(yù)示可能出現(xiàn)缺陷及其位置，并不能告訴任何消除可能出現(xiàn)的問(wèn)題的方法。解決這些問(wèn)題還是需要有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。主流專業(yè)軟件介紹（了解主流軟件的名稱）CAE軟件是迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合，而形成的一種綜合性、知識(shí)密集型信息產(chǎn)品。CAE軟件的計(jì)算分析與模擬仿真能力，主要決定于單元庫(kù)和材料庫(kù)的豐富和完善程度，單元庫(kù)包含的單元類型越多，材料庫(kù)包括的材料特性種類越全，其對(duì)工程/產(chǎn)品的分析與仿真能力就越強(qiáng)。知名CAE軟件的單元庫(kù)一般都有百余種單元，并擁有一個(gè)比較完善的材料庫(kù)。CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫(kù)；如果解法庫(kù)包含了各種不同類型的高性能求解算法，那它就會(huì)對(duì)不同類型、不同規(guī)模的問(wèn)題，以較快的速度和較高的精度給出計(jì)算結(jié)果。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法相比，在計(jì)算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計(jì)算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行。1）MAGMASOFT德國(guó)MAGMA公司開發(fā)的專業(yè)用于解決鑄件生產(chǎn)和模具設(shè)計(jì)問(wèn)題的CAE軟件。支持從合金熔煉、鑄型制作、金屬液澆注，到冷卻凝固、鑄件熱處理，再到熔爐材料和熔爐修補(bǔ)等整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，適用于幾乎所有鑄造合金材料的成形（包括鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、鑄鎂等）。同時(shí)針對(duì)不同的鑄造工藝開發(fā)有專業(yè)技術(shù)模塊（如壓力鑄造、重力鑄造、傾轉(zhuǎn)澆注、半固態(tài)鑄造、離心鑄造、消失模鑄造、應(yīng)力應(yīng)變分析、工藝優(yōu)化和連鑄生產(chǎn)線等）。在有限差分技術(shù)的支持下，利用經(jīng)典物理學(xué)方程對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行了更加接近實(shí)際的描述，從而獲得準(zhǔn)確度極高的模擬結(jié)果，其分析計(jì)算速度也非?？?。主要模塊：a.作業(yè)管理；b.前處理；c.充型分析；d.凝固分析；e.后處理；f.材料數(shù)據(jù)庫(kù)；g.多循環(huán)分析。2）ProCASTESI集團(tuán)所屬ProCAST公司（美國(guó)馬里蘭州）于1985年推出的鑄造過(guò)程模擬軟件。ProCAST為鑄造業(yè)提供整體軟件解決方案，可以進(jìn)行完整的鑄造工藝過(guò)程預(yù)測(cè)評(píng)估，包括充型、凝固、微觀組織以及熱力耦合模擬等。涵蓋了各種鑄造工藝和鑄造材料。主要功能模塊：a.重力鑄造砂型、金屬型鑄造、傾斜澆注；b.熔模鑄造熔模鑄造、殼模鑄造；c.低壓鑄造；d.壓力鑄造；e.消失模鑄造；f.應(yīng)力分析模具壽命；g.反求工程；h.獨(dú)特第材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)求解器3）FLOW-3D美國(guó)流動(dòng)科學(xué)公司（Flow Science. Inc）于1985年正式推出的三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和傳熱學(xué)分析軟件。能夠很好第解決航天航空、金屬鑄造、鍍膜處理、消費(fèi)品生產(chǎn)、微噴墨頭制造、海洋運(yùn)輸、微機(jī)電系統(tǒng)、水力開發(fā)等諸多領(lǐng)域的工程應(yīng)用問(wèn)題。特色：a.采用了一種網(wǎng)格與幾何體相互獨(dú)立的技術(shù)(自由網(wǎng)格法)； b.開創(chuàng)了真實(shí)的流體體積法(VOF)來(lái)跟蹤和處理流動(dòng)前沿的推進(jìn)變化；c.提供三種計(jì)算方法(分離隱式、顯式和可改變方向的隱式算法)，支持求解牛頓流體和非牛頓流體。d.包含有豐富而先進(jìn)的物理模型，內(nèi)置豐富的流體、固體材料庫(kù)，支持材料屬性的用戶自定義。e.支持對(duì)流、熱傳到、熱輻射等多種換熱方式。f.提供友好的用戶界面和二次開發(fā)接口。在金屬鑄造方面的應(yīng)用：a.可以準(zhǔn)確模擬鑄液的澆注過(guò)程，給出充型的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和自由表面變化，以及鑄型的溫度場(chǎng)。b.能精確描述凝固過(guò)程，又能評(píng)估加熱冒口和冷卻或加熱通道設(shè)計(jì)，給出宏觀變量表示的微觀縮松判據(jù)。c.可以模擬尺寸大小不限的金屬薄壁、厚壁零件的鑄造成型和砂型制造工藝中的氣流沖砂過(guò)程。d.在保證計(jì)算精度的前提下，允許單獨(dú)對(duì)凝固過(guò)程和澆注過(guò)程分別進(jìn)行模擬。4）JSCAST前身是SOLDIA軟件，由小松軟件公司的長(zhǎng)坂悅敬博士、村上俊彥聯(lián)合大板大學(xué)的大中逸雄教授共同開發(fā)。1996年企業(yè)版的JSCAST正式開始發(fā)行。2005年開始銷售中文版。JSCAST適用于高/低壓鑄造、砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、殼型鑄造、重力鑄造、傾斜鑄造、減壓鑄造、差壓鑄造、半固態(tài)鑄造等過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。JSCAST支持鑄鐵、鑄鋼、高錳鋼、不銹鋼、高溫合金、率合金、鎂合金、銅合金、鈦合金等鑄造材料，以及發(fā)熱、保溫、絕熱、冷鐵、冷卻水、空氣、加熱器、金屬模具、砂型(生砂、呋喃樹脂砂)、型殼（陶瓷、石膏）和型芯等輔助材料。JSCAST可以準(zhǔn)確地模擬型腔內(nèi)部金屬液的流動(dòng)過(guò)程、型腔充滿后的凝固過(guò)程、流動(dòng)與凝固過(guò)程中卷氣和夾雜的形成、卷入、流動(dòng)及在浮力/重力作用下的沉浮，以及凝固過(guò)程中的縮孔、縮松。JSCAST是完全基于Windows開發(fā)的。5）Anycasting韓國(guó)Anycasting公司自主研發(fā)的基于Windows操作平臺(tái)的金屬鑄造成形模擬軟件，于1990年正式推向市場(chǎng)。Anycasting可以仿真各種鑄造工藝過(guò)程中的充型、傳熱、凝固和應(yīng)力場(chǎng)等物理現(xiàn)象，預(yù)測(cè)鑄造缺陷與鑄件微觀組織。Anycasting的特色：a.基于Windows平臺(tái)，易學(xué)易用； b.求解器模型先進(jìn)，計(jì)算速度快； c.創(chuàng)新的充型和凝固缺陷預(yù)測(cè)模型及判據(jù)，使模擬結(jié)果更精確；d.完全面向鑄造工藝過(guò)程，參數(shù)設(shè)置方便，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)自動(dòng)設(shè)置；e.完全基于OpenGLDE 3D圖形功能支持動(dòng)態(tài)剖面技術(shù)；f.自動(dòng)變差分網(wǎng)格技術(shù)，劃網(wǎng)速度快；g.關(guān)系型材料數(shù)據(jù)庫(kù)支持80多種黑色金屬、100多種有色金屬和30多種非金屬，可自定義材料。h.后處理功能強(qiáng)大，多模型分析，完善的鑄件質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，圖片、動(dòng)畫自動(dòng)輸出。Anycasting軟件安裝后包含5個(gè)部分：anyDBASE 數(shù)據(jù)庫(kù)，anyMESH網(wǎng)格劃分，anyPRE前處理，anySOLVER求解，anyPOST 后處理。6）華鑄CAE華鑄CAE(InteCAST)是華中科技大學(xué)研究開發(fā)的。該軟件一鑄件充型過(guò)程、凝固過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，可以完成多種合金材質(zhì)、多種鑄造方法下的鑄件凝固分析、流動(dòng)分析以及流動(dòng)和傳熱耦合計(jì)算分析。分析材料有：鑄鋼、球鐵、灰鐵、鑄造鋁合金、銅合金等。可分析的鑄造方法:砂型鑄造、金屬型鑄造、壓鑄、低壓鑄造、熔模鑄造等。經(jīng)過(guò)多年的努力，華鑄CAE已成為一個(gè)比較成熟的商品化、實(shí)用化、集成化鑄造工藝CAE系統(tǒng)。四、鑄造CAE