铸造充型凝固过程数值模拟系统及应用

　　本书系统地阐述了铸造充型凝固过程数值模拟的理论与方法、软件系统及典型应用案例。本书分上下两篇：上篇铸造充型凝固过程数值模拟理论与方法，主要介绍了数值模拟离散方法、充型凝固过程数学模型与数值求解及缺陷预测方法、数值模拟前后处理技术等；下篇铸造充型凝固过程数值模拟软件及应用，主要包括华铸CAE系统的控制平台、前处理、计算分析、后处理等功能模块以及典型应用案例。本书是对我国铸造行业从数字化走向智能化的思考与探索，以期为我国铸造行业由大变强奠定好数字化优化设计基础，并为我国铸造行业走向智能化提供工艺优化设计理论方法指导、国产铸造CAE软件系统支持以及典型应用案例借鉴。

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前言
上篇铸造充型凝固过程数值模拟理论与方法
第1章铸造数值模拟技术概述2
1.1铸造数值模拟技术简介2
1.2铸造数值模拟技术发展现状2
1.2.1已实用化的铸造数值模拟技术2
1.2.2正在发展中的铸造数值模拟技术11
1.3铸造数值模拟技术工程化发展趋势18
1.3.1高精度缺陷定量化预测技术19
1.3.2热物性参数反求技术19
1.3.3智能化铸造工艺设计与优化技术21
1.3.4铸造全流程模拟与数字化管理融合21
第2章铸造数值模拟方法基础23
2.1有限差分法23
2.1.1原理介绍23
2.1.2离散方法25
2.2有限元法28
2.2.1原理介绍28
2.2.2离散方法29
2.3有限体积法33
2.4其他数值模拟方法34
第3章铸造充型过程流动场数学模型与数值求解35
3.1流体基本概念35
3.2充型过程流动场数学模型35
3.3充型过程流动方程求解方法37
3.4充型过程流动前沿追踪方法38
3.5充型过程流动场数学模型离散41
3.5.1流动方程的离散41
3.5.2体积函数（VOF）的离散44
3.5.3SOLA-VOF方法44
3.6充型过程流动场数值模拟流程设计46
第4章铸造充型过程相关缺陷预测方法47
4.1铸造充型过程卷气预测方法47
4.1.1卷气缺陷预测数学模型47
4.1.2压铸件气体定量预测算例49
4.2铸造充型过程夹渣预测方法54
4.2.1无质量粒子流体运动数值模拟方法54
4.2.2无质量粒子数值模拟算例56
4.2.3有质量粒子流体运动数值模拟
方法57
4.2.4有质量粒子数值模拟算例59
4.3铸造充型过程合金氧化预测方法61
4.3.1合金氧化数学模型61
4.3.2合金氧化数值模拟算例62
4.4铸造充型过程冷隔与浇不足预测方法64
4.4.1流动与温度耦合数学模型64
4.4.2流动与温度耦合数值求解64
4.4.3流动与温度耦合数值模拟算例65
4.5铸造充型过程型壁冲击力预测方法67
4.5.1型壁冲击力数学模型67
4.5.2型壁冲击力数值模拟算例68
第5章铸造凝固过程温度场数学模型与数值求解70
5.1传热基本概念70
5.1.1热传导70
5.1.2热对流70
5.1.3热辐射71
5.2凝固过程温度场数学模型71
5.2.1傅里叶定律71
5.2.2凝固过程温度场数学模型71
5.3凝固过程温度场数学模型离散73
5.3.1二维场合的离散格式73
5.3.2三维场合的离散格式74
5.3.3初始条件与边界条件75
5.4凝固过程潜热处理方法77
5.4.1潜热定义77
5.4.2等价比热容法79
5.4.3热焓法80
5.4.4温度回升法80
5.4.5改进等价比热容法80
5.4.6灰铸铁凝固过程相变潜热处理方法83
5.5凝固过程发热材料处理方法84
5.6凝固过程温度场数值模拟流程设计87
第6章铸造凝固过程缩孔缺陷预测方法88
6.1缩孔预测方法简介88
6.2重力铸造凝固过程动态压力缩孔预测方法88
6.2.1孤立液相区边界判据89
6.2.2保守力场内缩孔分布规律91
6.2.3缩孔的生长演变过程95
6.2.4重力铸造动态压力缩孔预测模型97
6.3立式离心铸造凝固过程动态压力缩孔预测方法98
6.3.1立式离心铸造熔融金属液的受力分析99
6.3.2立式离心铸造缩孔分布规律101
6.3.3立式离心铸造动态压力缩孔预测模型103
6.4动态压力缩孔预测方法的重力铸造实验验证105
6.4.1重力铸造U形铸件实验设计105
6.4.2重力铸造U形铸件实验实施106
6.4.3重力铸造U形铸件模拟与实验结果109
6.4.4重力铸造U形铸件模拟与实验结果分析113
6.5动态压力缩孔预测方法的立式离心铸造实验验证114
6.5.1离心铸造U形铸件实验设计114
6.5.2离心铸造U形铸件实验实施115
6.5.3离心铸造U形铸件实验与模拟结果116
6.5.4离心铸造U形铸件改进方案模拟与实验结果分析119
6.6动态压力缩孔预测方法的应用124
6.6.1重力铸造箱盖铸件应用案例124
6.6.2立式离心铸造柱栓铸件应用案例126
第7章铸造凝固过程其他相关数值模拟及缺陷预测128
7.1铸造凝固过程应力场数值模拟方法128
7.1.1弹塑性力学基本理论128
7.1.2凝固过程应力场数学模型133
7.1.3凝固过程应力场离散求解134
7.1.4凝固过程应力场算例135
7.2铸造凝固过程浓度场数值模拟方法141
7.2.1凝固过程成分偏析141
7.2.2 凝固过程浓度场数学模型及离散143
7.2.3凝固过程浓度场算例146
7.3铸造凝固过程微观组织数值模拟方法151
7.3.1凝固过程微观组织模拟基本方法151
7.3.2凝固过程微观组织模拟数学模型153
7.3.3凝固过程微观组织算例158
第8章铸造数值模拟前处理网格划分方法162
8.1结构化网格划分方法162
8.1.1均匀网格划分方法162
8.1.2非均匀网格划分方法163
8.2基于四面体的非结构化网格划分方法167
8.2.1四面体网格数据结构167
8.2.2四面体网格划分原理与方法167
8.2.3四面体网格划分实例169
8.3基于八叉树的非结构化网格划分方法171
8.3.1八叉树网格数据结构171
8.3.2八叉树网格划分方法171
8.3.3八叉树网格划分实例174
第9章铸造数值模拟后处理数据可视化方法178
9.1基于GDI的后处理数据可视化方法178
9.1.1GDI绘图原理178
9.1.2GDI绘图实例179
9.2基于OpenGL的后处理数据可视化方法179
9.2.1OpenGL绘图原理179
9.2.2OpenGL显示实例180
9.3基于3D技术的后处理数据可视化方法182
9.3.13D显示技术概述182
9.3.2红蓝3D显示技术182
9.3.3偏振3D显示技术183
9.3.4裸眼3D显示技术184
第10章铸造数值模拟其他相关技术187
10.1铸造数值模拟工艺自动优化技术187
10.1.1优化方法简介187
10.1.2铸造工艺自动优化方法算例189
10.2热物性参数反求技术196
10.2.1基于GA-BP模型的材料热物性参数反求流程196
10.2.2热物性参数反求方法应用实例198
10.3铸造数值模拟高效并行计算技术201
10.3.1铸造数值模拟CPU并行计算技术201
10.3.2铸造数值模拟GPU并行计算技术205
下篇铸造充型凝固过程数值模拟软件及应用
第11章华铸CAE系统概述212
11.1系统简介212
11.2系统主要特点214
11.2.1控制平台主要特点214
11.2.2前处理模块主要特点214
11.2.3计算分析模块主要特点215
11.2.4后处理模块主要特点216
11.3系统安装216
11.3.1安装说明216
11.3.2安装环境216
11.3.3安装过程217
11.3.4其他问题217
11.3.5网络版安装218
第12章华铸CAE系统控制平台模块220
12.1控制平台模块简介220
12.2工程操作220
12.2.1新建工程220
12.2.2打开旧工程221
12.2.3工程库维护222
12.3模块运行224
12.4系统设置224
12.5辅助功能225
12.6综合监控225
第13章三维造型应注意的问题227
13.1CAD系统的选择227
13.2华铸CAE系统对三维造型工作的要求227
13.3“优先级别”功能的应用228
13.4砂箱的输入与合适吃砂量的确定229
13.5特种铸造三维造型的注意事项229
13.6“任意绝热（对称）”计算技术的应用229
13.7STL输出规则230
13.8铸件/铸型三维装配模型STL实例230
13.9STL预览/装配/造型231
13.9.1主窗口菜单232
13.9.2工具栏233
第14章华铸CAE系统前处理模块237
14.1前处理模块简介237
14.2任务规划238
14.2.1新建任务238
14.2.2STL选择（STL赋材质属性）240
14.2.3优先级别选择241
14.2.4网格参数241
14.2.5其他参数243
14.3网格剖分244
14.4结果显示246
14.5辅助功能247
14.5.1剖分结果旋转247
14.5.2剖分结果检查247
14.5.3华铸相机248
14.5.4查询/清除248
14.6疑问解答249
第15章华铸CAE系统计算分析模块252
15.1计算分析模块简介252
15.2新计算任务规划253
15.2.1纯凝固传热计算253
15.2.2纯充型流动计算260
15.2.3充型与传热耦合计算263
15.2.4基于耦合的凝固计算263
15.3旧任务打开及多任务规划264
15.3.1单任务打开265
15.3.2多任务计算265
15.4计算控制265
15.5显示控制266
15.6参数设置266
15.7数据库管理267
15.7.1物性参数库267
15.7.2计算参数库268
15.7.3计算任务库269
15.7.4涂料数据库269
15.7.5过滤网数据库269
15.8辅助功能270
15.8.1计算任务查询/删除270
15.8.2计算信息查询270
15.9系统应用相关问题的处理270
15.10低压铸造计算271
15.10.1低压浇注参数设置271
15.10.2冷却介质参数库272
15.10.3冷却工艺参数设置272
15.10.4低压铸造多循环/冷却控制272
15.11高压铸造计算273
15.11.1高压浇注参数设置273
15.11.2高压铸造多循环/冷却控制273
15.12重力金属型铸造计算274
15.13重力复杂浇注工艺参数设置274
15.14横（斜）浇立冷工艺参数设置275
15.15热物性参数逆向工程276
15.16与其他系统接口277
第16章华铸CAE系统后处理模块279
16.1后处理模块简介279
16.2后处理相关术语与基本概念280
16.3主菜单288
16.3.1文件功能288
16.3.2数值画面288
16.3.3视图调整326
16.3.4色彩选择326
16.3.5动画集成327
16.3.6磁盘清理329
16.3.7栏目选项330
16.3.8外部功能与在线帮助331
16.4后处理浮动菜单332
16.5后处理工具条332
16.6后处理工程栏335
16.7状态条336
16.8后处理键盘功能336
16.9后处理鼠标功能337
16.9.1数值鼠标功能337
19.9.2拖动旋转、缩放、平移功能337
16.9.3直接剖切功能338
16.9.4等值剥离显示功能338
16.9.5色标选择功能338
16.9.6色标映射区间调整338
16.9.7铸件与材质名称编辑功能338
16.9.8区域统计列表功能339
16.9.9鼠标滚轮功能339
16.10后处理无模式框339
16.10.1总控按钮339
16.10.2图形类型选择339
16.10.3数据文件树结构340
16.10.4图形参数标签页340
第17章铸造缺陷判断与工艺优化341
17.1缩孔、缩松341
17.1.1缩孔、缩松计算时注意的问题341
17.1.2缩孔、缩松缺陷的分析步骤341
17.1.3对铸铁件缺陷预测的思考345
17.1.4工艺优化实例346
17.2卷气、夹渣347
17.3浇不足、冷隔348
第18章华铸CAE系统其他辅助模块350
18.1自动报告生成模块350
18.2自动结果整理模块352
18.3资源管理模块355
18.3.1菜单栏355
18.3.2工具栏355
18.3.3搜索工具栏357
18.3.4树视图区358
第19章华铸CAD/CAE一体化模块359
19.1华铸CAD/CAE一体化模块简介359
19.2任务规划360
19.2.1路径配置360
19.2.2新建工程360
19.2.3材质赋值360
19.2.4前置处理361
19.2.5网格剖分362
19.2.6模拟类型选择362
19.2.7模拟计算363
第20章华铸CAE系统应用实例364
20.1砂型铸钢件应用实例364
20.2熔模铸钢件应用实例373
20.3球墨铸铁件应用实例378
20.4灰铸铁件应用实例390
20.5铜合金铸件应用实例396
20.6铝合金铸件应用实例402
20.7压铸件应用实例413
参考文献422