浅谈铸造CAE技术的发展与应用

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【摘 要】本文阐明了铸造模拟仿真技术（铸造cae）在现代铸造中的优势及意义，回顾其技术的发展历程及运用，最后总结了国内铸造企业的CAE应用现状。

【关键词】铸造；CAE技术；应用

1、前 言

铸造是国民经济的重要产业部件之一，它反映了一个国家制造产业的规模和水平。21世纪铸造成形加工技术的总目标是高质量、短周期及低成本，围绕此目标，世界各国均精炼了铸造成形加工技术的研究方向：一是重大工程中的特大型铸件的关键铸造技术；二是精确成形技术；三是计算机模拟仿真及优化技术逐步替代传统的经验性研究方法。

计算机模拟仿真技术，即计算机辅助工程（CAE），经过四十多年的发展历程，逐渐深入材料科学领域并应用于铸件的产品与工艺研究，为促进铸造企业的技术改造和进步带来了全新的活力。采用铸造工艺CAD及过程模拟仿真技术（铸造CAE技术）可以快速设计及优化铸造工艺，并可用电脑模拟浇注的方法来可视化地显示出铸造全过程以及缺陷形成过程。这可以较大程度的改变传统铸造工艺方案制定过程中的不确定性，是铸造工艺由“经验”走向“科学”的重要途径。随着现代计算机软硬件设计与制造技术的飞速发展，铸造CAE技术对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有更加重要的现实意义。

2、技术概念

铸造CAE技术是指采用有限分析技术（有限差分法、有限元法等）进行铸造充型过程、凝固过程的模拟，在计算机中“试生产”铸件，为制定合理的铸造工艺提供有力的指导，铸造数值模拟CAE技术涉及铸造成形理论与实践、计算机图形学、多媒体技术、可视化技术、三维造型、传热学、流体力学、弹性塑性力学等多种学科，是典型的多学科交叉的前沿领域，主要研究温度场模拟、流体场模拟、流动与传热耦合计算、应力场模拟、组织模拟等过程模拟。

3、研究及发展

最早用于铸造过程仿真技术的是美国哥伦比亚大学的“Heat and Mass Flow Analyzer”分析单元，1944年Victor Paschkis在此分析单元的基础上将热传导分析应用于沙模并取得了很多研究成果。1959年GE公司的 Campbell 等人运用有限差分法模拟生产厚大铸件，并在1965年研究提出了可预测的凝固模型。但FDM 法的缺点是无法追踪金属充型时的自由表面，所以Nicholas和 Hirt在80年代初期引入了流动体积法，把流动体积函数作为主要参数，用来追踪流动自由表面。

1974年 Los Alamos 科学实验室设计开发了计算机生成的颜色移动图片技术，该技术使用标准的缩微胶卷拍摄装置，通过程序控制一系列光过滤器，利用多种复合颜色描述不同温度范围，最终产生斑点状或条状的拍摄图像，实现了铸造凝固过程模铸型剖面的可视化。

80年代早期瞬时充型的假设得到一定的应用。1988年，美国匹兹堡大学Stoehr R.A教授研究团队开发出一套相对全面的充型过程流体流动的二维计算模型，该团队将充型过程与凝固过程视为一个整体进行相对独立而又互相关联的模拟计算，计算结果不仅可以预见温度场和流场分布，还可以预先判断浇不足、冷隔、缩孔等铸造缺陷出现的可能性和位置。1989年，H．J．Lin等人一起开发出了充型过程三维数值模拟的计算模型，把SOLA和MAC法结合在一起研究三维流动问题。从此，铸造CAE模拟技术进入了三维时代。

90年代后期，发展了微结构模拟，它除了对冶金学有更深意义的影响外，还能预测和控制铸件的机械性能，并且开始从试验研究向实际运用发展。在国外，多尺度模拟已经在汽车及航天工业的到运用。福特汽车提出了虚拟铝合金发动机缸体研究，其目标是预测铸件的疲劳寿命。

进入21世纪，铸造模拟技术研究取得了很大进展，国内外学者对现行的一些铸造过程三维数学模型和计算方法进行了深入研究，作出了许多卓有成效的工作。清华大学的贾良荣、熊守美等基于有限差分法建立了液态金属充型过程流动及耦合传热计算的模型，使用SOLA-VOF数值模拟技术开发了压铸充型过程流动与传热过程的数值模拟分析软件，对具有复杂形状的压铸件充型过程的流场和温度场进行仿真模拟，分析了模具的型腔表面在充型过程中温度变化的规律，提出了“瞬态层”的概念。

4、应用

目前铸造仿真模拟技术的运用主要集中在四个方面：充型凝固模拟、凝固过程应力模拟、凝固过程微观组织模拟、缩孔缩松预测。其中应力模拟由于液态与固态共存，铸件的力学性能的难以测定，仍然无法完全建立此阶段的力学模型，因此应力模拟依然是整个铸造过程模拟的难点和重点，现阶段的应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型有限元分析软件如MARC 、PROCAST、ANSYS、FLOW-3D 等进行对应的二次开发，有相应的局限性。微观组织模拟是一个复杂的研究过程，比凝固和充型过程模拟更加的困难。近年来材料科学研究出现了各类微观组织模拟方法，这些方法能在一定程度上比较准确地模拟铸件的凝固组织，但在模拟生产中，铸件凝固的工艺条件和环境过于单一化和理想化，弱化了凝固的过程的复杂程度，因此距离实际生产的铸件凝固组织模拟还有一定距离。

从目前的铸造行业的模拟软件应用来看，主要是国外较成熟的软件占主导地位并且代表了计算机数值模拟的最高水平。这些软件基本可以模拟以砂型铸造为代表的常用铸造工艺。常用的国外软件有芬兰的 CastCAE、美国的ProCast和FLOW-3D、德国的 MAGMA、西班牙的ForCast、日本的CASTTEM、法国的SIMULOR等；国内软件有清华大学的FT-satr、华中科技大学的华铸CAE等。这些软件大都与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析，运用搭建的模型对砂型铸造、金属型铸造、压力铸造和精密铸造等工艺进行流场、应力场和温度场的数值模拟，以模拟结果可视化来预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷，根据缺陷的原因和位置对工艺做出改进或则优化，达到工艺目的。

5、结束语

目前，欧美日等发达国家的铸造企业普遍采用了铸造CAE技术，特别是汽车铸件生产厂商几乎全部采用了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。国内较大型的铸造企业在90年代末开始引入仿真技术，并得到实际运用。但是，国内的大部分铸造企业普遍规模小、生产设备落后、技术实力薄弱等缺点，难以提供铸造CAE模拟技术严谨的外部工艺条件，更不愿意面对国外正版软件高昂的售价，部分专业技术人员使用网络的破解资源自学，缺乏系统的培训和教育。这些原因都导致了CAE技术在中小型企业难以普及，应用水平低。以网络化铸造和绿色铸造为标杆，国内铸造企业的现代化发展之路任重而道远。

参考文献

[1]刘致远。铸造CAE技术的运用[J]，中国铸造装备与技术，2003。

[2]柳百成。铸造技术与计算机模拟发展趋势[J]，铸造技术，2005。