基于有限元法的鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬及其智能化技術(shù)的研究.pdf

1、鑄造過(guò)程產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)引起熱裂、冷裂、翹曲變形及殘余應(yīng)力集中等鑄造缺陷和問(wèn)題，影響鑄造產(chǎn)品的精度和使用壽命，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品直接報(bào)廢。采用鑄造熱應(yīng)力模擬技術(shù)，能夠有效地分析鑄件在凝固過(guò)程中的熱應(yīng)力和變形的產(chǎn)生與演化，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的缺陷和問(wèn)題，為鑄造工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。目前，鑄造過(guò)程的熱應(yīng)力數(shù)值模擬仍處于發(fā)展階段，是鑄造過(guò)程宏觀模擬的一個(gè)研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文對(duì)有限元鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬所涉及的各個(gè)部分都進(jìn)行了比較深入的研究和探討，包括

2、有限元網(wǎng)格劃分、應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和圖形顯示等，開(kāi)發(fā)了鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬系統(tǒng)，并提出了一系列智能化方法簡(jiǎn)化系統(tǒng)的操作，增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。
　　首先，提出了一個(gè)穩(wěn)健的有限元四面體網(wǎng)格劃分算法，開(kāi)發(fā)了有限元網(wǎng)格劃分模塊，能夠智能地生成復(fù)雜帶錯(cuò)鑄件幾何模型的有限元四面體網(wǎng)格。在此有限元網(wǎng)格劃分算法中，用隱式曲面轉(zhuǎn)換方法智能地對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的裝配操作并且修復(fù)大多數(shù)幾何錯(cuò)誤，用中軸距離法和內(nèi)部邊中點(diǎn)距離法自適應(yīng)地計(jì)算網(wǎng)格單元尺寸

3、，并用桁架力平衡方法自動(dòng)生成質(zhì)量?jī)?yōu)良的有限元四面體網(wǎng)格，用QEM（Quadratic Error Metrics）能量泛函最小方法保證與原幾何模型的幾何一致性。經(jīng)過(guò)若干個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的幾何模型及裝配體的測(cè)試，證明了此網(wǎng)格劃分算法的智能化與實(shí)用性，適用于復(fù)雜的鑄造工藝幾何模型。
　　其次，在熱彈塑性理論的基礎(chǔ)上建立了熱-力單向耦合分析的鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，并采用鑄型邊界單元模型處理鑄造系統(tǒng)中鑄件與鑄型間復(fù)雜的相互作用，開(kāi)發(fā)了鑄造過(guò)

4、程的有限元熱應(yīng)力數(shù)值計(jì)算模塊。在有限元熱應(yīng)力數(shù)值計(jì)算模塊中，提出了基于K-D樹(shù)的智能化方法快速簡(jiǎn)便地設(shè)置各種復(fù)雜的力學(xué)邊界條件，并嘗試性地提出了熱裂判據(jù)和冷裂判據(jù)。該有限元熱應(yīng)力數(shù)值計(jì)算模塊能夠模擬鑄件在凝固過(guò)程中和脫模之后的應(yīng)力應(yīng)變分布及變形情況，預(yù)測(cè)鑄件中可能存在的熱裂與冷裂缺陷。
　　再次，為海量的模擬數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了三層數(shù)據(jù)模型，采用了智能化的數(shù)據(jù)加載策略，開(kāi)發(fā)了基于有限元法的鑄造應(yīng)力場(chǎng)后處理圖形顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了具有真實(shí)感的海量

5、數(shù)據(jù)的快速圖形顯示。同時(shí)研究了定點(diǎn)數(shù)據(jù)快速獲取算法和偏光方式的三維虛擬現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“數(shù)值鼠標(biāo)”功能和三維虛擬現(xiàn)實(shí)圖形立體顯示等功能，讓海量的模擬數(shù)據(jù)更加真實(shí)直觀地展現(xiàn)出來(lái)。
　　最后，采用典型的柵形應(yīng)力框鑄件對(duì)有限元鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行校核以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將所開(kāi)發(fā)的有限元鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬系統(tǒng)應(yīng)用到軋輥和行星架這兩個(gè)實(shí)際生產(chǎn)的鑄件上。在柵形應(yīng)力框鑄件的熱應(yīng)力數(shù)值模擬中，系統(tǒng)地研究了在不同鑄型邊界條件下應(yīng)力、應(yīng)變與變形

6、的分布以及隨時(shí)間的變化規(guī)律，并將模擬結(jié)果與理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，在趨勢(shì)上基本一致。在此基礎(chǔ)上，分析了軋輥和行星架這兩個(gè)鑄件在凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演變過(guò)程，根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)中的應(yīng)力應(yīng)變集中情況以及本文提出的熱烈判據(jù)預(yù)測(cè)鑄件中可能產(chǎn)生的熱裂缺陷，并與鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的熱裂缺陷進(jìn)行對(duì)照，數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合較好。試驗(yàn)件和實(shí)際生產(chǎn)鑄件的實(shí)例都證明本文的有限元鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確可靠，能夠?yàn)閷?shí)際的鑄造生