演講人：日期:計(jì)算機(jī)鑄造數(shù)值模擬技術(shù)CATALOGUE目錄01技術(shù)原理概述02核心算法體系03應(yīng)用場(chǎng)景分析04工程優(yōu)化設(shè)計(jì)05軟件工具架構(gòu)06技術(shù)發(fā)展展望01技術(shù)原理概述數(shù)值模擬基本概念數(shù)值模擬是依靠電子計(jì)算機(jī)，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類(lèi)問(wèn)題研究的目的。數(shù)值模擬定義數(shù)值模擬的基本環(huán)節(jié)數(shù)值模擬的優(yōu)缺點(diǎn)數(shù)值模擬的基本環(huán)節(jié)包括建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值求解和結(jié)果解釋。數(shù)值模擬具有高效、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)，但也存在精度受限、模型簡(jiǎn)化等問(wèn)題。鑄造過(guò)程數(shù)學(xué)模型鑄造過(guò)程的物理數(shù)學(xué)模型鑄造過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是基于鑄造過(guò)程的物理原理，如質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)量守恒等，結(jié)合數(shù)學(xué)公式和數(shù)值方法建立的。鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬流程數(shù)學(xué)模型的種類(lèi)鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬流程包括前處理、求解和后處理三個(gè)階段。根據(jù)鑄造工藝的不同，鑄造過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可分為鑄造充型、凝固過(guò)程、應(yīng)力場(chǎng)等數(shù)學(xué)模型。123熱力學(xué)耦合是指鑄造過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等物理場(chǎng)之間的相互作用和影響。熱力學(xué)耦合機(jī)制熱力學(xué)耦合的定義熱力學(xué)耦合的數(shù)值模擬方法主要包括直接耦合和間接耦合兩種。熱力學(xué)耦合的數(shù)值模擬方法熱力學(xué)耦合在鑄造過(guò)程中主要應(yīng)用于預(yù)測(cè)鑄件的溫度分布、凝固過(guò)程、熱應(yīng)力等，從而優(yōu)化鑄造工藝。熱力學(xué)耦合在鑄造過(guò)程中的應(yīng)用02核心算法體系求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值技術(shù)，將整個(gè)求解域劃分為多個(gè)小的有限單元，通過(guò)求解每個(gè)小單元內(nèi)的簡(jiǎn)單方程得到整體解。有限元法數(shù)學(xué)計(jì)算概念種類(lèi)，求偏微分方程（或常微分方程）和方程組定解問(wèn)題的數(shù)值解的方法，通過(guò)將方程中的導(dǎo)數(shù)用差商代替，把原方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解。有限差分法有限元/有限差分方法流動(dòng)場(chǎng)求解技術(shù)數(shù)值穩(wěn)定性保證計(jì)算過(guò)程中數(shù)值解的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生數(shù)值震蕩或發(fā)散現(xiàn)象。01離散化方法采用有限差分、有限元等方法對(duì)流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為可求解的代數(shù)方程組。02迭代求解通過(guò)迭代方法逐步逼近真實(shí)解，常用的迭代方法有SIMPLE算法、PISO算法等。03凝固過(guò)程模擬算法宏觀-微觀耦合模擬將宏觀傳熱和流動(dòng)過(guò)程與微觀組織演化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多尺度耦合模擬。03通過(guò)模擬凝固過(guò)程中晶粒的生長(zhǎng)和演化，預(yù)測(cè)鑄件的微觀組織和性能。02微觀組織模擬凝固路徑計(jì)算根據(jù)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)原理，計(jì)算凝固過(guò)程中各相的轉(zhuǎn)變路徑和溫度場(chǎng)分布。0103應(yīng)用場(chǎng)景分析預(yù)測(cè)縮孔和縮松通過(guò)數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)鑄件在凝固過(guò)程中可能出現(xiàn)縮孔和縮松的位置和程度，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。砂型鑄造缺陷預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)熱裂紋可以模擬鑄件在凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，預(yù)測(cè)熱裂紋的產(chǎn)生位置和程度。預(yù)測(cè)鑄件變形可以模擬鑄件在冷卻過(guò)程中的變形情況，預(yù)測(cè)鑄件的最終形狀和尺寸精度。通過(guò)數(shù)值模擬，可以優(yōu)化壓鑄過(guò)程中的充型速度和壓力，避免鑄件產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷。壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化充型優(yōu)化可以模擬鑄件在凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)變化，優(yōu)化冷卻工藝，提高鑄件的組織和性能。凝固模擬通過(guò)模擬模具的溫度場(chǎng)分布，優(yōu)化模具的加熱和冷卻工藝，提高模具的使用壽命和鑄件的質(zhì)量。模具溫度控制精密鑄造成型驗(yàn)證成型過(guò)程模擬可以模擬精密鑄造過(guò)程中金屬液的充型、凝固和冷卻過(guò)程，驗(yàn)證鑄造工藝的可行性。01鑄件質(zhì)量控制通過(guò)數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)鑄件的內(nèi)部缺陷和表面質(zhì)量，為鑄件的質(zhì)量控制提供依據(jù)。02鑄造工藝優(yōu)化可以模擬不同工藝參數(shù)對(duì)鑄件質(zhì)量的影響，為鑄造工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。0304工程優(yōu)化設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)仿真改進(jìn)澆注系統(tǒng)優(yōu)化根據(jù)模擬結(jié)果，對(duì)澆注系統(tǒng)的布局、尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高鑄造質(zhì)量和效率。03借助后處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)澆注過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化，便于觀察金屬液的流動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題。02澆注過(guò)程可視化澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)鑄造過(guò)程中澆注系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷，并提出優(yōu)化建議。01通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)鑄件在鑄造和冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布，為后續(xù)工藝提供參考。殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模型殘余應(yīng)力數(shù)值模擬將模擬結(jié)果以直觀的方式展示，如彩色云圖等，便于用戶查看和分析鑄件中的殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力可視化根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，如澆注溫度、冷卻速度等，以調(diào)控鑄件中的殘余應(yīng)力，降低鑄件變形和開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。殘余應(yīng)力調(diào)控微觀組織數(shù)值模擬將模擬結(jié)果以圖像或動(dòng)畫(huà)的形式展示，便于用戶直觀了解鑄件的微觀組織特征。微觀組織可視化微觀組織調(diào)控根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)或添加細(xì)化劑等措施，以調(diào)控鑄件的微觀組織，提高鑄件的性能和使用壽命。通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測(cè)鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中的微觀組織演變，包括晶粒大小、形態(tài)和分布等。微觀組織演變模擬05軟件工具架構(gòu)商業(yè)仿真平臺(tái)應(yīng)用仿真平臺(tái)選擇選擇成熟的商業(yè)鑄造數(shù)值模擬平臺(tái)，如MAGMA、FLOW-3D等，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。01鑄件建模與網(wǎng)格劃分利用商業(yè)平臺(tái)提供的建模工具，快速建立鑄件的三維模型，并進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。02求解設(shè)置與運(yùn)行根據(jù)鑄件特點(diǎn)和工藝要求，設(shè)置模擬參數(shù)，運(yùn)行模擬程序，得到鑄件數(shù)值模擬結(jié)果。03結(jié)果分析與優(yōu)化對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)鑄造過(guò)程中的問(wèn)題，提出優(yōu)化方案，提高鑄件質(zhì)量。04開(kāi)源模擬框架解析框架選擇與評(píng)估編譯與測(cè)試源代碼理解與定制社區(qū)支持與維護(hù)分析現(xiàn)有開(kāi)源鑄造數(shù)值模擬框架的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇適合項(xiàng)目需求的框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)。深入理解開(kāi)源框架的源代碼，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能。按照開(kāi)源框架的編譯指南進(jìn)行編譯，并進(jìn)行全面的測(cè)試，確保自定義功能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。積極參與開(kāi)源社區(qū)，獲取技術(shù)支持和更新，維護(hù)自定義功能的持續(xù)可用性。深入了解客戶需求，明確鑄造數(shù)值模擬的目標(biāo)和范圍，確定定制化開(kāi)發(fā)的方向。根據(jù)需求分析結(jié)果，設(shè)計(jì)定制化開(kāi)發(fā)的總體方案，包括技術(shù)路線、功能模塊等。按照設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行定制化功能的開(kāi)發(fā)，并與現(xiàn)有模擬平臺(tái)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。對(duì)定制化開(kāi)發(fā)的功能進(jìn)行全面的測(cè)試，確保滿足客戶需求，并交付給客戶使用。定制化開(kāi)發(fā)方案需求分析方案設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與集成測(cè)試與交付06技術(shù)發(fā)展展望鑄造數(shù)值模擬將不僅僅局限于熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等傳統(tǒng)熱物理場(chǎng)，還將擴(kuò)展到應(yīng)力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流場(chǎng)等多物理場(chǎng)的耦合仿真。多物理場(chǎng)耦合趨勢(shì)耦合多物理場(chǎng)仿真從微觀的晶粒長(zhǎng)大、組織演變到宏觀的鑄件變形、殘余應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)多尺度模擬，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鑄件質(zhì)量。多尺度模擬將鑄造工藝參數(shù)與數(shù)值模擬緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)鑄造過(guò)程的數(shù)字化和智能化，提高鑄造生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量。耦合鑄造工藝高性能計(jì)算集成利用高性能計(jì)算機(jī)和并行計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鑄造數(shù)值模擬的大規(guī)模計(jì)算，縮短計(jì)算周期，提高計(jì)算精度。并行計(jì)算技術(shù)云計(jì)算技術(shù)高效算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)借助云計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)鑄造數(shù)值模擬的云端計(jì)算和資源共享，降低用戶硬件門(mén)檻，提高計(jì)算效率和靈活性。開(kāi)發(fā)適用于鑄造數(shù)值模擬的高效算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高計(jì)算速度和內(nèi)存利用率，降低計(jì)算成本。智能制造融合路徑數(shù)字化鑄造車(chē)間以鑄造數(shù)值模擬為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，