铸造过程模拟仿真及工艺设计

第1章 绪论

1.1 铸造过程数值模拟的内涵

1.2 铸造过程数值模拟的主要方法

1.2.1 数值离散方法

1.2.2 凝固过程数值计算方法

1.2.3 铸件充型过程数值模拟方法

1.3 网格生成技术

1.3.1 结构化网格

1.3.2 非结构化网格

1.3.3 用于铸造模拟的网格生成技术

1.4 浸入边界法及其应用

1.5 铸造工艺CAD技术的发展

1.6 铸造过程模拟计算结果的验证方法

1.7 铸造过程数值模拟技术存在的问题及发展方向

第2章 铸造充型过程数值模拟技术

2.1 铸造充型过程的数学模型

2.2 紊流模型

2.2.1 k-&epsilon双方程紊流模型

2.2.2 代数应力模型

2.2.3 低雷诺系数紊流模型和壁面函数法

2.3 计算模型的离散化

2.3.1 迎风格式

2.3.2 扣心差分格式

2.3.3 基于正交网格的离散化格式

2.3.4 基于Cut cell网格的方程离散

2.4 N-S方程的求解方法

2.4.1 SIMPLE算法

2.4.2 共轭梯度法

2.4.3 SOLA-VOF法

2.4.4 近似盒迭代法（ABX）

2.5 自由表面的处理

2.6 其他问题的处理

2.6.1 边界条件

2.6.2 自由表面压力边界条件

2.6.3 数值稳定性条件

2.6.4 对流量的修正

2.6.5 潜热处理

2.7 充型过程流场算法的改进

2.7.1 针对界面模糊现象的改进

2.7.2 流体碰壁时体积函数的分配

2.7.3 提高计算效率的方法

2.8 流场模拟试验验证

2.8.1 模拟软件验证

2.8.2 标准试验的模拟（水力模拟试验）

2.8.3 实际浇注过程与模拟计算的对比

2.8.4 边界切网格模拟计算与水力试验结果的对比

2.8.5 边界切网格计算结果与锯齿形网格的计算结果对比

2.9 铸造充型过程数值模拟技术应用

2.9.1 重力充型过程数值模拟

2.9.2 低压铸造充型过程数值模拟

2.9.3 压力铸造充型过程数值模拟

2.9.4 精密铸造充型过程数值模拟

2.9.5 消失模铸造充型过程数值模拟

2.9.6 金属型倾转铸造

第3章 铸造凝固过程数值模拟技术

3.1 铸造凝固过程的数学模型

3.1.1 控制方程

3.1.2 初始条件

3.1.3 边界条件

3.1.4 有限差分离散

3.2 铸造凝固过程的数值求解

3.2.1 初始条件

3.2.2 边界条件的确定

3.2.3 结晶潜热的处理

3.2.4 正交网格与边界切网格的温度场结果对比

3.3 重力铸造下缩孔与缩松的预测

3.3.1 缩孔预测

3.3.2 缩松预测

3.4 低压铸造条件下的缩孔与缩松预测

3.4.1 缩孔预测

3.4.2 缩松预测

3.5 试验验证

3.6 铸件凝固过程数值模拟技术应用

3.6.1 砂型铸钢件应用实例

3.6.2 低压铸造应用实例

3.6.3 精密铸造应用实例

第4章 铸造模拟过程前后处理技术

4.1 铸件网格自动剖分

4.1.1 STL文件格式

4.1.2 网格剖分原理

4.1.3 均匀网格剖分

4.1.4 非均匀网格剖分

4.1.5 基于非均匀网格算法的边界切网格剖分

4.1.6 剖分实例

4.2 基于OpenGL的图形显示技术

4.2.1 OpenGL技术概述

4.2.2 OpenGL的工作顺序

4.2.3 模型空间和模型矩阵

4.2.4 OpenGL的数据处理过程

4.2.5 OpenGL基本程序结构

4.2.6 基于OpenGL的图形显示应用

4.3 基于VTK的图形显示技术

4.3.1 VTK技术特点

4.3.2 VTK的框架结构

4.3.3 VTK层次结构

4.3.4 VTK的可视化处理

第5章 基于CAE的铸造工艺CAPP技术

5.1 铸造工艺CAPP的技术内涵

5.2 冒口CAD系统

5.2.1 冒口的设计原则

5.2.2 冒口设计的常用方法

5.2.3 冒口库的建立

5.2.4 冷铁的计算

5.3 浇注系统的设计

5.3.1 转包浇注时浇注系统各截面尺寸的计算

5.3.2 漏包浇注时浇注系统各截面尺寸的计算

5.4 基于Pro/E二次开发的浇冒口系统绘制

5.4.1 系统软硬件选型

5.4.2 软件开发工具简介

5.4.3 本系统中的几种数据处理方法

5.5 铸造工艺CAPP系统应用

5.5.1 皮带轮毛坯件应用实例

5.5.2 侧架铸件应用实例

第6章 铸造专家系统

6.1 铸造工艺分析专家系统

6.1.1 铸造专家系统的发展

6.1.2 铸造专家系统现状

6.1.3 铸造专家系统应用前景

6.1.4 专家系统的特点

6.1.5 专家系统的工作原理

6.1.6 专家系统关键技术问题

6.2 铝铸件缺陷分析专家系统

6.2.1 铝铸件缺陷分析专家系统的主要功能

6.2.2 知识库的建立及推理机的设计

6.2.3 系统的人机接口

6.2.4 铝铸件缺陷专家系统程序实现

参考文献2100433B

随着计算机技术的发展，计算材料科学已成为一门新兴的交叉学科。除实验和理论方法外，计算材料科学是解决材料科学中实际问题的第三大重要研究方法。

毛红奎、徐宏编著的《铸造过程模拟仿真及工艺设计》主要介绍铸造过程的计算机模拟技术，全书共分6章，主要内容包括：绪论、铸造充型过程数值模拟技术、铸造凝固过程数值模拟技术、铸造模拟过程前后处理技术、基于CAE的铸造工艺CAPP技术、铸造专家系统。《铸造过程模拟仿真及工艺设计》除了介绍已有铸造过程数值模拟常用方法之外，还介绍了本课题组的一些研究成果，主要包括：基于边界切网格的铸造充型/凝固过程数值模拟技术，铸造CAE的前后处理技术、基于铸造CAE的铸造工艺CAPP及缺陷专家系统等内容。

铸造工艺设计涉及零件本身工艺设计，浇注系统的设计，补缩系统的设计，出气孔的设计，激冷系统的设计，特种铸造工艺设计等内容。

零件本身工艺设计涉及到零件的加工余量，浇注位置、分型面的选择，铸造工艺参数的选择，尺寸公差，收缩率，起模斜度，补正量，分型负数等的设计 。

浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，浇注系统设计得合理与否，对铸件的质量影响非常大，容易引起各种类型的铸造缺陷，比如：浇不足、冷隔、冲砂、夹渣、夹杂、夹砂等等铸造缺陷。浇注系统的设计包括浇注系统类型的选择、内浇口位置的选择及浇注系统各组元截面尺寸的确定。此外，浇注系统的选择也非常重要，那么怎样才能选择正确的浇注系统呢？

对于机械化流水线、大批量生产，为了方便生产并有利于保证铸件的质量，内浇道一般设置在铸型的分型面处，根据该铸件毛坯的浇注位置及分型面的选择，将内浇道开设在铸型的分型面处是属于“中间注入式”浇注系统。液态金属在浇注过程中难免会包含有一定的“熔渣”，为了提高浇注系统的挡渣能力，适合于采用“封闭式”浇注系统。

在铸造工艺中，铸造工艺的设计对铸造产品的质量影响很大，但是浇注系统的选择方法的选择也不容忽视。

补缩系统的设计是合理的设计冒口和补贴，以补偿铸件在凝固过程中产生的液态和凝固态的体收缩，以获得健全的铸件的一项工程技术 。

出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液填充能力，排除先填充到型腔的过冷金属液和浮渣，还可作为观察型腔是否浇满的的标志 。

《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》从工程实际出发，详细地阐述了砂型铸造工艺设计原理和方法，并介绍了生产常见铸件缺陷的形成原因和防止方法。书中既收集了国内外行之有效的技术成果和经验，也简要介绍了对提高铸件质量有借鉴意义的研究成果。