液态成型充型过程数值模拟仿真技术

在铸件充型过程的数值模拟计算中，求解压力场是最
耗费时间的，实际工程应用中，计算时间有时会很长，满 足不了工艺分析人员的要求，因此研究如何提高压力方程 的求解速度就成了一个非常重要的问题。致力于铸件充型 过程数值模拟的研究人员，不断跟踪计算流体力学、数学 和计算机等相关学科的新发展，力图以最新的研究成果来 提高充型模拟的计算精度。研究者主要在压力场一速度场 的迭代方法上和稀疏矩阵方程组的求解方面进行研究探索， 并提出了许多提高计算速度的有效方法。
程序，进行模拟计算。
6. 数据处理和模拟计算结果的图形显示输出。
1.3铸件充型过程数值模拟的基本问题
铸件充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领 域，它涉及到计算流体力学、传热学、计算机图形学、计 算方法、偏微分方程的数学理论和铸造工艺理论等。铸件 充型过程的流场温度场模拟包括很多内容，如几何实体造 型、计算域的网格划分、流场中速度和压力的求解、充型 过程中自由表面的处理、充型过程紊流的模拟、充型过程 对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及 计算结果的可视化等。
1.速度场和压力场的求解 充型过程数值模拟的一项基本内容是用有限差分
或有限元等数值模拟方法求解质量守恒方程(连续性方程) 和动量守恒方程即纳维尔一斯托克斯(Navier -Stokes)方 程，简称N-S方程，以得出流体运动规律。
由于计算速度场的真正困难在于压力场，因而研究者 们致力于寻找一种采用所谓的基本变量(即速度分量和压 力)的数值求解方法。这样的解法必须进行速度场一压力 场迭代，通过猜测值得到满意解.Patankar提出了SIMPLE 方法和SIMPLER方法，SIMPLE (Semi一Implicit Method for Pressure-Linked Equations)是求解压力连续方程的 半隐式方法，是比较全面的流场计算方法;计算出的速度 场不仅满足连续性方程的要求，也满足动量方程的要求; 其主要特点是压力场和速度场同时迭代。
通常根据铸型的特点或液态合金注入铸型(充型)方式 及在铸型中凝固成型过程的特点，把铸造分为几种不同的 类型．如砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、 压力铸造、离心铸造、连续铸造、实型铸造、真空铸造等。
铸造工艺是为了方便造型，使液态合金顺利充型或保 证铸件的内外质量而采取的各种方法和手段的总和．如浇 注温度、分型面、加工余量、拔模斜度、浇冒口等。
铸造过程数值模拟wenku.baidu.com真是利用数值分析技术、数据库 技术和可视化技术，并结合热传导、流动及金属凝固理论 对铸件成形过程进行仿真，以模拟出铸件充型、凝固及冷 却过程中的各种物理场，并据此对铸件进行质量评价的方 法。通过铸造成型过程数值模拟，可以在制造铸造工艺装 备及浇注铸件之前，对各种工艺方案与铸件质量的关系进 行判断，掌握主要铸造缺陷的形成机理，优化铸造工艺参 数，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。铸造 过程仿真被称为今后10年对铸件业影响最大的三大重要技 术之一。
铸造过程仿真的实质是对铸件成形系统(包括铸件和铸 型)进行几何上的离散化，然后利用能量方程、连续性方 程、动量方程等物理模型，通过数值计算方法得出满足初 始条件和给定边界条件的铸造过程相关物理场参数，并根 据物理场的变化规律预报铸造质量(显微组织和铸造缺陷)。
1.1铸件充型过程数值模拟
铸造生产的实质是直接将液态金属浇入铸型并在铸型 中凝固和冷却，进而得到铸件。液态金属的充型过程是铸 件形成的第一个阶段。许多铸造缺陷(如卷气、夹渣、浇 不足、冷隔及砂眼等)都是在充型不利的情况下产生的。 因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。 但是，由于充型过程非常复杂，长期以来人们对充型过程 的把握和控制主要是建立在大量实验基础上的经验准则。 随着计算机技术的发展，铸件充型过程数值模拟受到了国 内外研究工作者的广泛重视，从80年代开始，在此领域进 行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的实现、计算 效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。目前 铸件充型过程数值模拟的发展己进入工程实用化阶段。应 用先进的数值模拟技术，铸造生产正在由经验走向科学理 论指导。通过充型过程模拟，人们可以掌握主要铸造缺陷 的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短试 制周期，降低生产成本。
SIMPLER法是对SIMPLE法的改进。求解压力场和速度 场的另一种迭代方法是美国LosAlamos实验室的研究人员 提出的SOLA (Solution Algorithm)方法，目前铸件充型 过程流场数值模拟常采用这种方法。
上述方程的离散现已发展了许多类型的高精度格式， 如T.Hayase等人研究开发了QUICK差分格式，QUICK差分格 式比中心差分和混合差分有更高的精度和数值稳定性。离 散方程的求解方法较多，大多数是通过迭代进行求解，主 要的方法有SOR(Successive Over-Relaxation)、GaussSeidel, Jacobi和PCGM等。
首先要对流场进行离散，即流场区域网格的划分。将 铸件和铸型系统剖分为有限数量的六面体单元，用单元内 的结点代表该单元的属性。
3. 控制方程的离散
把连续性的控制方程和体积函数按一定的差分格式进行离散， 得到离散化方程。
4．确定初始条件、边界条件和数值稳定性条件。 5．迭代计算求解根据确定性条件，编制流体流动迭代计算
1.2数值模拟过程
充型凝固过程数值模拟基本方法有有限差分和有限元等 数值方法。基于差分方法的充型数值模拟基本过程为:
1．数值模型的建立 实际流体具有粘性，高温液态金属是在充型过程中其粘
度变化较大的实际流体，针对不同类型的流体，需要采用 不同的流体模型方程。在充型模拟过程中，高温金属液的 运动规律遵循实际流体运动方程一一N-S方程，并满足质 量和能量守恒。 2. 网格剖分求解充型流动的流场
液态成型充型过程数值模拟仿真技术
前言
液态成型是将液态金属注入一定的型腔(铸型)中使 之凝固、冷却而形成具有一定形状和尺寸的金属制品．这 种成型方法又可称为铸造成型。这种制造金属制品的生产 过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸 件；大部分铸件一般均用作毛坯，需经机械加工后才能成 为各种机器零件；少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面 粗糙度时，可直接作为零件或产品使用。