1、材料成形模擬技術(shù)講義 第4章 溫度場模擬軟件,華中科技大學(xué) 周建新 Tel:Email: ,2,主要內(nèi)容,1、溫度場CAE軟件概述 2、溫度場模擬分析軟件操作步驟 3、工藝三維造型 4、新建工程 5、前處理網(wǎng)格剖分 6、計算分析 7、后處理數(shù)據(jù)可視化,3,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （1/6）,經(jīng)過四十多年的發(fā)展，目前鑄造領(lǐng)域商品化數(shù)值模擬軟件較多，國內(nèi)外著名的軟件系統(tǒng)有德國的“MAGMASOFT”、美國的“PROCAST”、國內(nèi)華中科技大學(xué)的“華鑄CAE”、清華大學(xué)“FT-STAR”等。這些軟件在鑄造領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。,下面以國內(nèi)鑄

2、造行業(yè)著名的“華鑄CAE”系統(tǒng)為例，介紹鑄造充型凝固過程模擬軟件的特點及應(yīng)用。,4,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （2/6）- 華鑄CAE,透視鑄型、鑄件,洞觀充型、凝固!,華鑄CAE/InteCAST,5,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （3/6） - 華鑄CAE,華鑄CAE總控平臺界面,華鑄CAE前處理界面,華鑄CAE后處理界面,華鑄CAE計算分析界面,6,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （4/6）- 華鑄CAE,適用合金: 鑄鋼（普通碳鋼、低合金鋼、高合金鋼） 鑄鐵（灰鐵、球鐵、特種鑄鐵） 鑄鋁 鑄銅 鑄鋅 鑄鎂,7,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （5/6）- 華鑄CAE,鑄造方式： 砂型、

3、金屬型重力鑄造 大型、超大型重力鑄造 低壓鑄造、差壓鑄造 高壓鑄造 旋轉(zhuǎn)鑄造 熔模鑄造,8,第一節(jié) 溫度場CAE軟件概述 （6/6）- 華鑄CAE,模擬分析范圍： 充型流動模擬 流動與傳熱耦合模擬 結(jié)晶凝固模擬 應(yīng)力應(yīng)變模擬 缺陷分析與預(yù)測(縮孔、縮松、卷氣、夾雜、澆不足、冷隔、沖砂),9,第二節(jié) 溫度場模擬分析軟件操作步驟（1/1）,下面以“華鑄CAE”為例，說明如何利用鑄件凝固過程模擬分析軟件來進行鑄件工藝的分析，主要步驟如下： （1）工藝三維建型； （2）新建工程； （3）前處理網(wǎng)格剖分； （4）參數(shù)設(shè)定與計算分析； （5）后處理數(shù)據(jù)可視化。,10,第三節(jié) 工藝三維造型（1/2）,三維造

4、型工作是利用商品化的三維造型軟件來完成的。華鑄CAE集成系統(tǒng)可以與目前幾乎所有流行的三維CAD系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，這些系統(tǒng)包括：AutoCAD、MDT、UG、SolidEdge、PRO/ENGINEER、I-DEAS、CADAM、SolidWorks、EUCLID、CATIA 等。用戶可以任意選擇上述CAD系統(tǒng)，華鑄CAE對這些CAD系統(tǒng)的唯一要求是：這些系統(tǒng)必須提供STL接口。而實際上上述絕大部分CAD系統(tǒng)都帶有導(dǎo)出STL文件功能，是它們的標(biāo)準(zhǔn)配置。 華鑄CAE對三維造型有如下要求：1）要求準(zhǔn)確地、全面地進行三維造型。分析對象的各個組成部分應(yīng)全部進行三維造型，例如鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口、砂芯、冷

5、鐵、冒口套、鑄型等，只要實際生產(chǎn)有的實體，造型時均應(yīng)輸入到電腦中去。2）不同材質(zhì)的實體，造型時必須分開。例如鑄件與冷鐵必須是兩個實體，分開造型。3）相同材質(zhì)的實體，可分開，也可不分開。例如鑄件、澆注系統(tǒng)與冒口的材質(zhì)相同（充滿時都是金屬），造型時可以將此三部分作為一個實體進行造型，也可分開作為三個實體。系統(tǒng)建議最好分開造型，這樣會帶來很多好處。4）各個實體必須按實際生產(chǎn)情況進行正確的裝配。5）三維造型工作是一個繁瑣的工作，占整個分析中工作量的90%以上。,11,第三節(jié) 工藝三維造型（2/2）,下圖所示的為某鑄件及工藝的三維實體圖（STL文件），下面以此為例進行凝固過程模擬分析的介紹。,(a) 鑄

6、件澆冒口 (b) 鑄件澆冒口以及冒口套 圖 某鑄件及工藝三維實體（STL文件）,12,第四節(jié) 新建工程（1/3）,華鑄CAE由三個相對獨立的模塊組成，即前置處理部分（網(wǎng)格剖分模塊），計算處理部分和后置處理部分(圖形顯示部分)。上述三部分統(tǒng)一于系統(tǒng)控制平臺，成為一個有機的整體，用戶必須通過控制平臺來操作整個華鑄CAE系統(tǒng)。左圖所示即為華鑄CAE控制平臺的界面，包括：主菜單，工具欄，狀態(tài)欄，三維圖形顯示區(qū)、當(dāng)前工程信息顯示區(qū)以及新近工程列表區(qū)等組成。,13,第四節(jié) 新建工程（2/3）,華鑄CAE定義一個鑄件的某一工藝的分析任務(wù)就是一個工程，不同的鑄件毫對應(yīng)不同的工程，同一鑄件不同工藝也對應(yīng)不同的工

7、程。一個工程也就是一個工藝的分析可以對應(yīng)不同的計算任務(wù)，如充型過程分析、凝固過程分析等。華鑄CAE規(guī)定做一個剖分或者一個計算都必須建立一個工程，或者打開一個已有的舊工程。為此系統(tǒng)的控制平臺提供了新建工程、打開舊工程和工程管理維護等功能。,左圖所示即為新建一個工程，要輸入單位、操作人、鑄件名、工藝號、材質(zhì)、鑄件描述、工藝描述等參數(shù)；選擇容量大的硬盤分區(qū)，選定后系統(tǒng)會自動填寫“工作路徑”和“工程命名”。 “工作路徑”如與已有的路徑重名，或者當(dāng)前工程與工程庫中的工程重名時系統(tǒng)會提示。這時用戶需要更改鑄件名或者工藝號。工作路徑定義方式：盤符鑄件名PRO_工藝號。工程命名方式：鑄件名_PRO_工藝號.T

8、SK,14,第四節(jié) 新建工程（3/3）,左圖所示為打開剛新建的工程，新工程一旦建立就可以進入前處理、計算分析和后處理。,15,第五節(jié) 前處理網(wǎng)格剖分（1/5）,進入華鑄CAE控制平臺后，選擇“前置處理”按鈕后，即進入華鑄CAE前置處理軟件，如左圖所示。系統(tǒng)界面包括：主菜單、工具欄、狀態(tài)欄、進展條、三維圖形顯示區(qū)、信息樹顯示區(qū)、剖分信息顯示區(qū)和二維圖形顯示區(qū)等組成。,16,第五節(jié) 前處理網(wǎng)格剖分（2/5）,華鑄CAE前處理的主要步驟: （1）設(shè)定STL材質(zhì)屬性 （2）設(shè)定優(yōu)先級別 （3）設(shè)定網(wǎng)格參數(shù) （4）設(shè)定其他參數(shù) * 自動剖分 （5）設(shè)定剖分結(jié)果顯示參數(shù) （6）剖分結(jié)果顯示 （7）剖分結(jié)果

9、連通性檢查,（1）設(shè)定STL材質(zhì)屬性,17,第五節(jié) 前處理網(wǎng)格剖分（3/5）,（2）設(shè)定優(yōu)先級別,（3）設(shè)定網(wǎng)格參數(shù),18,第五節(jié) 前處理網(wǎng)格剖分（4/5）,（4）設(shè)定其他參數(shù),(5)設(shè)定剖分結(jié)果顯示參數(shù),19,第五節(jié) 前處理網(wǎng)格剖分（5/5）,（6）剖分結(jié)果顯示 （7）剖分結(jié)果連通性檢查,20,第六節(jié) 計算分析（1/8）,華鑄CAE計算模塊總計有4種計算，如右所示，分別為純凝固傳熱計算第1種計算、純充型流動計算第2種計算、充型與傳熱耦合計算第3種計算、基于耦合的凝固計算第4種計算。,進入華鑄CAE控制平臺后，選擇“計算分析”按鈕后，即進入華鑄CAE計算分析系統(tǒng)，如左圖所示。系統(tǒng)界面包括：主菜

10、單、工具欄、狀態(tài)欄、進展條、圖形顯示區(qū)、任務(wù)命令區(qū)、信息樹顯示區(qū)以及曲線顯示區(qū)等組成。,21,第六節(jié) 計算分析（2/8）,凝固過程計算（第1種計算）的主要步驟： （1）設(shè)定計算分任務(wù) （2）設(shè)置合金屬性 （3）設(shè)置鑄件鑄型等物性參數(shù) （4）設(shè)置界面參數(shù) （5）設(shè)置凝固計算中其它參數(shù) （6）設(shè)置重力補縮參數(shù) （7）設(shè)置計算結(jié)束參數(shù) （8）設(shè)置數(shù)據(jù)自動保存參數(shù) （9）設(shè)置計算時溫度數(shù)據(jù)圖形顯示方式 （10）本次計算任務(wù)總結(jié),22,第六節(jié) 計算分析（3/8）,（1）設(shè)定計算分任務(wù),(2)設(shè)置合金屬性,23,第六節(jié) 計算分析（4/8）,（3）設(shè)置鑄件鑄型等物性參數(shù),（a）鑄件物性參數(shù),（b）鑄型物性參

11、數(shù),24,第六節(jié) 計算分析（5/8）,（4）設(shè)置界面參數(shù) （5）設(shè)置凝固計算中其它參數(shù),25,第六節(jié) 計算分析（6/8）,（6）設(shè)置重力補縮參數(shù) （7）設(shè)置計算結(jié)束參數(shù),26,第六節(jié) 計算分析（7/8）,（8）設(shè)置數(shù)據(jù)自動保存參數(shù) （9）設(shè)置計算時溫度數(shù)據(jù)圖形顯示方式,27,第六節(jié) 計算分析（8/8）,（10）本次計算任務(wù)總結(jié),28,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（1/9）,凝固過程模擬其后處理的功能是海量溫度場數(shù)據(jù)可視化，華鑄CAE凝固過程后處理主要包含（1）鑄件色溫（2）溫度梯度（3）鑄型色溫（4）凝固液相（5）凝固次序（6）定量縮孔（7）Nyma縮松（8）溫度曲線等功能，如下圖所示，下面簡要介

12、紹。,29,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（2/9）,（1） 鑄件色溫 鑄件凝固過程中，隨著熱量的散失，溫度不斷降低。用不同的顏色對應(yīng)不同的溫度，適當(dāng)?shù)纳珮?biāo)對應(yīng)，繪出不同時刻的鑄件圖，能貼切形象地表現(xiàn)鑄件凝固過程中溫度的變化。下圖即為鑄件在凝固過程中某一時刻鑄件色溫。,（a）整體,（b）剖切,30,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（3/9）,（2）溫度梯度 鑄件凝固過程中不同部位，其溫度變化有很大差異，下 圖即為鑄件在凝固過程中某一時刻鑄件溫度梯度分布。,（a）帶箭頭的線段表示,（b）顏色表示,31,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（4/9）,（3）鑄型色溫 在模擬分析中，不僅要計算鑄件澆冒口系統(tǒng)的溫度場，而且要計

13、算與傳熱相關(guān)的鑄型、冷鐵、冒口套等溫度場分布，下圖是鑄型色溫分布圖，即顯示鑄件/冒口套/鑄型的溫度分布。,（a）鑄件/冒口套/鑄型全部顯示,（b）不顯示鑄件,32,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（5/9）,（4）凝固液相 取某一臨界固相率溫度，高于此溫度的網(wǎng)格單元以顏色填充顯示，而低于此溫度的網(wǎng)格單元以線條輪廓顯示。由此可觀察凝固過程中的相變細節(jié)，可觀察液相補縮通道的斷開，孤立液相區(qū)的形成過程，為改進工藝、判斷工藝的可行性提供科學(xué)的依據(jù)。下圖是鑄件在凝固過程中不同時刻液相分布。,（a）顯示鑄件及澆冒口中的液相,（b）僅顯示鑄件中的液相,33,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（6/9）,（5）凝固次序 鑄件澆冒口不同部位其凝固時間不一樣，凝固次序是將鑄件及澆冒口某部位的凝固時間用顏色表達出來，這樣在同一畫面即可看出鑄件的凝固次序。下圖是鑄件澆冒口的凝固次序。,（a）整體,（b）剖切,34,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視化（7/9）,（6）定量縮孔 鑄件凝固過程同時也是縮松縮孔的形成過程，華鑄CAE軟件采用了重力補縮技術(shù)，能夠計算縮松縮孔形成過程以及定量地預(yù)測縮松縮孔的位置大小形狀等。下圖是鑄件凝固后的縮松縮孔分布。,（a）顯示鑄件及澆冒口中的縮松縮孔,（b）僅顯示鑄件中的縮松縮孔,35,第七節(jié) 后處理數(shù)據(jù)可視