计算机在成形制造中的应用

大型作业

课程名称：计算机在成形制造中的应用学院：机电工程学院

专业：机械及自动化2008级

学号：某某某

学生姓名：某某某

作业一互联网检索在材料研究中的应用

1、目的

（1）掌握获取材料科学文献的方法，提高信息意识和信息观念。

（2）获取某一材料科学研究领域的最新信息的捷径，避免重复研究或走弯路。

2、题目（以下4题任选1题）

（1）计算机在材料学某专业方向的应用发展

内容可以是在[金属(铸造、煅造、焊接、热处理)]、复合材料等中的应用。

要求：1)写一篇调查报告(1500字以上)。

2)有10篇中外文文献及其资料(含1篇以上外文)。

（2）材料科学与工程中某一研究领域的最新发展

内容可以是[金属(铸造、煅造、焊接、热处理)]、复合材料研究领域中的最新发展。

要求：同上

（3）材料科学中数学建模当前状况

要求：同上

（4）材料科学与工程中数据库的应用

要求：同上

计算机在金属铸造中的应用

摘要：作为一种现代工具，计算机技术在材料科学与工程中的应用日益广泛。本文主要介绍计算机在金属制造中的应用，其中包括：金属铸造计算机辅助设计、计算机模拟技术在铸造过程中的应用、铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测、消失模铸造充型与凝固过程的计算机仿真、铸件凝固过程组织计算机模拟研究动态、通过金属液流动过程计算机模拟设计浇注系统等，多个方面对计算机在现代制造中起到的无可替代的作用。计算机的广泛应用正从各方面推动着铸造业的发展和变革，它不仅可以提高生产效率和降低生产成本，同时又能促使新技术和新工艺的不断出现，使铸造生产正在从主要依靠经验走向科学理论指导生产的阶段。

0前言

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计(CAD)，计算机辅助工程分析(CAE)和计算机辅助制造(CAM)等技术在材料科学领域的应用正在不断地扩大和深入。铸造过程(重力铸造和压力铸造)的计算机模拟涉及铸造工艺理论、凝固理论、传热学、流体力学、数值分析以及计算机图形等多种领域，是公认的材料科学的前沿领域之一。把铸造图样、铸型材料、铸造合金物性值、凝固特性的描述数据及数学模型输入计算机，即可通过算出合理的浇注系统和冒口系统，对于优化产品设计，提高质量和缩短制造周期起着重要的作用。

1计算机辅助设计在金属铸造中的应用

1.1铸造工艺计算机辅助设计(CAD)能实现的功能

铸造工艺计算机辅助设计(CAD)技术主要实现以下功能，如铸件的几何、物理量计算(包括铸件体积、表面积、重量及热模数的计算);浇注系统的设计计算(包括选择浇注系统的类型和各组元的尺寸计);补缩系统的设计计算(包括冒口、冷铁及合理的补缩通道的设计计算);绘图(包括铸件图、铸造工艺图、铸造工艺卡片等图形的绘制和输出 ) 。与传统的铸造工艺设计相比，采用计算机设计铸造工艺的特点是：计算准确、迅速，消除了人为计算误差;能够大量储存并利用众多铸造工作者的经验，使得使用者能够设计比较合理的铸造工艺;能够对铸造工艺方案进行优化以便确定最佳的方案;具有自动打印记录并绘制各种技术文件的能力。

1．2计算机辅助制造和几何造型

在金属铸造领域中，计算机辅助设计的应用还没有象在其他领域那样流行。铸件设计的主要部分依然靠人工。主要原因是由于液态金属凝固和流动时出现的复杂现象，铸件的复杂形状进一步造成困难。所以，几何造型是铸件计算机辅助设计中的一个关键组成部分。一个铸件的形状数据要在设计过程中的几个阶段使用： (a)质量和成本估篦（b)工艺计算和方案设计(c)通过凝固模拟和其他方法的设计评估(d)生成图形和嗣于模成品的数控加工数据。用于成本估苒的重量计算和熔化准备主要靠手工完成。浇冒口计也靠人工完成。进而产生一个用于凝固模拟的单独形状模型，仅有少数例外。看来很简单，将用加工的几何数据转换为模拟模型并不容易，主要困难是铸件和铸型的网络匹配。显然，目前用于铸件设计的几何造型技术处于初步阶段，立体模型和网络自动划分的结合使用可能是进一步发展的关键。

2 铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测

2.1凝固组织计算机仿真的研究现状

凝固组织的计算机仿真技术兴起于90年代初，它将数值模拟中的确定性模型与用概率方法建立起来的概率模型相结合，运用一定的算法和计算机处理技术，在计算机屏幕上实现对凝固组织形成的动态显示。Browth和Spittle ,6 J等用MC方法以晶粒最小自由能为基础，定性预测了过热度、合金成分等因素对凝固组织的影响，并在计算机上动态显示出了凝固组织的形成过程；Zhu 等对MC方法加以改进。他们以Al_4．5％Si合金为研究对象。考虑了材料的界面能，将连续性方程和MC方法相结合，并引入枝晶生长强化因子，用有限差分法计算了温度，建立了宏观传热、传质与微观形核、生长的统一模型，也同样实现了凝固组织形成的动态显示；Rappaz和Gandin -9j等也建立了三CA．FE(cellular automa．tion-finitee element)模型，对熔模铸造连续铸造、激光重熔等不同凝固条件下的凝固组织进行了预测和动态显示。

2.2凝固组织模拟存在的问题及发展方向

凝固组织的模拟在近些年来取得了重要的进步，但还存在着以下问题：理论模型大都建立在稳态生长的基础上，没有考虑对流、偏析等因素的影响；模拟工作还停留在形状简单的二元合金铸件阶段；基于凝固组织的预测来推断铸件的力学性能方面的工作还没有展开。目前建立的关于凝固组织的数学模型，为进一步研究铸件凝固过程打下了基础。这是一个实现对凝固组织的最优控制的重要思路。因此，随着试验手段和计算机性能的不断提高，克服目前凝固组织模拟中出现的问题，争取早日把研究成果应用到实际生产中去，是今后凝固组织模拟发展的重要方向。

3 凝固过程中的数值模拟

凝固过程数值模拟技术即用数值计算方法求解凝固成形的物理过程所对应的数学离散

方程，并由计算机显示其计算的结果。这项技术诞生30多年来，近10年获得了很大的进展，在许多方面已达到实用程度，成为提高铸造业技术水平和铸件竞争能力的关键技术之一。可以实现的目标有:预知凝固时间、开箱时间、确定生产率;预测缩孔和缩松形成的位置和大小;预知铸型的表面及内部的温度分布，方便铸型(特别是金属型)的设计;控制凝固条件，为预测铸件应力、微观及宏观偏析、铸件性能等提供必要的依据和分析计算的数据。凝固过程数值模拟不仅可以形象地显示液态充填型腔和在型腔中冷却凝固的进程，还可预测可能产生的缺陷，所以可在制造计划现场实施前，综合评价各种工艺方案和参数，优化工艺方案，取代或减少现场试制，这对大型复杂形状或贵重材料凝固成形铸件的生产，其优越性和经济效益尤为突出.由于凝固过程数值模拟可以揭示许多物理本质过程，所以也促进了凝固理论的发展，近年来研究和发展的微观组织模拟，可预测晶粒大小和力学性能，可望在不久的将来用于生产实际。

4 铸造工艺参数检测与生产过程的计算机控制

铸造工艺参数检测与生产过程的计算机控制计算机作为生产过程和凝固过程的控制手段已得到了广泛的应用，铸造生产工序繁多、工作条件相对恶劣、影响因素复杂，有必要在铸造生产中深入研究和广泛应用微型计算机检测与控制技术。近年来，已经出现了很多用计算机分析生产过程的变化，用计算机选择最佳参数、调节控制生产过程，铸造生产实现自动化，从而达到稳定铸件质量，提高劳动生产率，降低铸件成本的范例。目前新一代的造型生产线已采用计算机控制，以计算机为基础的自控系统己用于熔化、浇注、砂处理、质量