数值模拟 计算机仿真 有限元分析

数值模拟技术是CAE的关键技术。通过建立相应的数学模型，可以在昂贵费时的模具或辅具制造之前，在计算机中对工艺的全过程进行分析。不仅可以通过图形、数据等方法直观地得到诸如温度、应力、载荷等各种信息，而且可预测可能存在的缺陷；通过改变工艺参数对不同方案进行模拟分析，可以从各方案的对比中总结出规律，进而实现工艺的优化。数值模拟技术在保证工件质量，减少材料消耗，提高生产效率，缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。在工业发达国家，数值模拟技术已被认为是生产中必不可少的一个环节，目前在国内数值模拟技术也早已走出象牙塔，并已在实际生产中取得了巨大成功。

MAGMAsoft铸造模拟软件是全球最佳的铸造软件工具，为铸造业改善铸件品质、制造过程条件、降低成本、增加竞争力提供了最优选择。MAGMAsoft是为铸

造专业人员实现改善铸件质量，优化工艺参数而提供的有力工具，它运用仿真传热及流体的物理行为，凝固过程中的应力及应变，微观组织的形成，MAGMAsoft 可以准确地预测铸件缺陷，改善现有工艺的不足，提高铸件质量。

MAGMAsoft适用于所有铸造合金材料的铸造生产，范围白灰铁铸造，铝合金砂型铸造，到大型铸钢件铸造。可应用于铸造部件设计的开发，最佳工艺方案的优化，缩孔、缩松的模拟，钢水充型过程的模拟，以及热处理过程中应力场的模拟。

铸件为一活塞零件，合金材料为ZLl09G，相当于MAGMA材料数据库中的A1Sil2CuNiMg，其组织致密性要求较高，生产的主要问题是铸件内缩松和缩孔严重，模具为金属模，采用一模一腔，重力铸造。运用MAGMA CAE软件的主要分析流程如下：

（1）建模

对于MAGMA分析软件来说，其造型功能比较简单，只能做一些简单的工作，对于形状较复杂的零件一般只能借助一些专用CAD软件，如Pm／e、UGII、CATIA 等进行建模，MAGMA在前处理过程中可通过图形接口将*．iges或*．sd格式文件直接读入。

（2）前处理

在前处理中主要设置铸件的浇冒口位置及大小、分别设置铸件、砂芯、芯盒、浇El入水口(inlet)、跟踪粒子(tracer)，其中设计跟踪粒子的目的是为了分析液态金属液充填结束后杂质和氧化物的运动情况，预测这些杂质是否在金属液凝固之前能够上浮到铸件主体以外，即铸件内部是否会出现夹杂等缺陷。

（3）网格划分(Enmeshment)

有限元网格的划分是软件进行分析的基础，而且有限单元的大小很重要，有限单元大，即整体单元密度小，会造成分析结果粗糙，不精确；太小，整体单元密度大，分析时会占用大量机时，而且结果也不一定精确。所以在划分时应根据模型的大小及复杂程度，选择合适的有限单元密度。

Enmeshment是专门用于对三维实体模型进行有限元四面体单元网格剖分的模块，借助于这个模块，用户可以直接对由机械CAD系统所建立的*．stl格式的实体模型进行自动的四面体单元划分，这个模块特别适于包括铸件、铸型等在内的多个部件同时进行网格剖分。

(a)粗略划分的有限元网格 (b)稀疏不同的有限元网格

图1 活塞零件有限元网格划分

（4）模拟计算(simulation)

网格划分好以后，就可以设置所用的各种材料、边界条件、机床型号，及多种工艺过程参数，尤其是一些生产过程参数的设置可在多次模拟计算中加以优化。在进行分析计算时，首先要确定模具的类型，是金属模(permanentmold)，还是砂模(sand mold)，以及分析的目的是计算充填(calculate filling)、凝固(calculate solidification)，还是应力应变(calculate stress)情况，然后选择合金材料及确定在铸造过程中材料的热物理特性参数，如铸造合金、型砂等，这些参数可直接从标准数据库(database)中得到。工艺及铸造条件，浇注温度，或压铸冲头曲线等则由用户直接输入现场的实际参数。参数确定完以后整个分析模拟过程可以自动展开，在分析计算的过程中可随时返回修改有关参数并重新开始分析计算.

（5）分析结果

模拟计算结束后，就可以在后处理模块中看到以颜色三维方式显示的模拟结果，进行模拟结果分析。

根据流体模拟模块MAGMA fill我们可以获得以下信息：铸型充填的方式、金属液在型腔中流动的方向与速度、溶融金属液温度分布及温降情况、溶融金属液压力场分布、在充填过程中可能发生浇不到、冷隔及冲砂的位置、发生潜在夹渣的位置。