基于有限差分法的铸件凝固过程热应力场数值模拟的分析

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1、摘要／用信息技术推动传统铸造行业的发展是铸造技术的重要发展趋势。计算机技术在铸造生产中的应用已成为高质量生产的必备条件，也是铸造生产现代化的主要发展方向。铸件凝固过程热应力场的数值模拟能够预测和分析铸件裂纹、变形及残余应力，为控制应力应变所造成的缺陷、优化铸造工艺、保证铸件尺寸精度及稳定性、提高铸件内在质量提供科学的依据。目前是铸造过程宏观模拟的研究热点。当前，国内铸造过程热应力场模拟研究大部分借用国外通用有限元分析软件，如ANSYS、MARC、ADINA等作为应力场分析工具，进行FDM／FEM集成化研究。这能帮助我们认识和

2、了解应力场数值模拟分析的基本途径和方法，但是铸件凝固过程应力场数值模拟必然走铸造数值模拟专业软件的道路，因此，独立自主开发专业化软件显锝十分必要。／本研究紧密结合学科前沿和生产实际，充分利用本课题组成熟的有限差分技术以及商品化软件成果--InteCAST／华铸CAE，走完全自主开发的道路，首次采用有限差分法(FDM)对铸造过程热应力场进行了三维数值模拟研究，开发了基于微机和Windows平台的通用化、实用化的FDM／FDM铸件热应力场数值模拟原型系统，可以用来模拟铸件残余应力的形成和预测热裂产生的倾向。采用FDM进行铸件热应

3、力场模拟，可使热分析和应力分析采用相同的FD网格模型，从而避免了FDM／FEM等不同模型之间的结点匹配问题以及减小由此产生的单元温度载荷传递误差。首次使得流动场、温度场、应力场统一于差分模式下，从而使华铸CAE软件从流动场、温度场到应力场全部采用FDM，除几何建模外不依赖于任何其它商品化软件，自成体系，进～步促进了该软件的商品化，更适合我国铸造厂家的实际情况，因此，本研究具有重要的理论意义，同时也具有良好的应用前景。作者用典型的栅形应力框试件和0形应力框试件对所开发的FDM／FDM热应力数值模拟系统进行了校核。／随后对这两种

4、典型试件进行了实际浇注实验和热应力分华中科技大学博士学位论文析，现场测量了主要部位的冷却曲线，并采用切断法测量了两试件中间杆的残余应力，为系统验证提供了第一手的数据。结果表明，模拟计算的应力分布趋势合理，残余应力值与实测结果值吻合较好，热裂倾向预测符合实际浇注结果，模拟系统整体运行的准确性和可靠性得到了初步考核。／∥最后，作者利用所开发的FDM／FDM热应力数值模拟系统对减速箱箱体和槽板铸钢件进行了温度场、应力场模拟分析√模拟结果与实际生产结果吻合，表明所建立的FDM／FDM系统能够胜任实际工程应用，是分析铸件残余应力和预测

5、热裂的有效工具，为改进与优化工艺，防止铸件热裂、应力集中及变形等缺陷，提供科学指导3／关键词：铸件凝固过程热应力场数值模拟有限差分法残余应力一Ⅱ一ABSTRACTUsinginformationtechnologytofacilitatethedevelopmentofthetraditionalfoundryindustryisasignificanttrendoffoundrytechnology．Theapplicationofcomputertechnologyhasplayedanimportantroleinhi

6、ghqualitycastingprocess，anditisthemaindirectionofthemodernizationoffoundrytoo．ComputersimulationoftemperatureandstressfieldsduringcastingprocessCanhelpfoundryengineerspredictandanalyzesuchdefectsaScrack，deformationandresidualstressescentralization，andpresentscienti

7、ficreferencetoeliminatedefectscausedbystressesandswainsbyoptimizing邑astingprocessandgethi曲qualityproduction．Henceitbecomesthehotspotofmacro·simulationofcastingnow．CurrentlymostdomesticresearchersadoptintegratedFDM／FEMmethod，i．e．usingfinitedi丘brencemethod(FDM)tocalc

8、ulatesolidificationandheattransfer'whilefiniteelementmethodrFEM)tosimulatestresses．SomeuniversalcommercialFEApackagesareusuallyadopted，suchasANSY