材料液态成形模拟方法及其应用_周建新_9787568083553

本教材系统地阐述了材料液态成形（铸造）过程数值模拟理论及其求解方法和应用实例。先简要介绍了材料成形模拟技术与基本方法；再按先理论后实例的方式分别介绍了成形过程涉及的温度场、流动场、应力场、浓度场、电磁场以及微观组织模拟等六个方面，较好地覆盖了目前材料成形数值模拟技术的各个方面。其中，理论部分详细介绍了各种物理场对应的数学模型与求解方法，实例部分则针对可能的成形缺陷以及对应的工艺优化举例进行了详细说明。数值模拟技术是近几十年来尤其是近二十年来铸造等材料成形领域发展的*重要的新兴技术，本教材顺应时代新发展以及研究生教育的改革，能够充实目前材料加工工程领域数值模拟教学实力，为铸造行业数值模拟人才的培养提供*利器。

前言金属液态成形（铸造）是指将熔融金属在重力场或其他外力场(压力场、离心力场、电磁力场等)作用下浇入铸型中，冷却并凝固而获得具有型腔形状制品的成形方法。随着计算机与数值分析等技术的发展，铸造工艺设计从过去依靠实际试错法，到现在通过成形过程数值模拟进行电脑试错，在计算机虚拟环境中完成铸造工艺的优化设计。在传统铸锻焊等热成形工艺中，铸造是普遍公认的数值模拟技术应用*为成熟的领域，近40年国内外也出现了许多成熟的商业化软件，已成为提高铸件质量以及铸造成形技术水平的重要手段，可实现铸件成形制造过程的工艺优化，预测铸件组织、性能，确保铸件质量，显著缩短产品研发周期，降低生产费用，并大量节约资源与能源。数值模拟技术使铸造实现了由传统的睁眼造型，闭眼浇铸到现代的睁眼造型，睁眼浇铸的转变。虽然铸造行业已经普遍认可数值模拟在工艺优化设计方面的巨大作用，但是从有用到用好的转变，不仅需要一批具有远见卓识的企业家、高水平的软件研发人员，还需要培养一大批懂铸造数值模拟的管理人员、技术人员以及软件使用者。在此背景下，编者结合近20年教学经验，与华铸软件中心近40年的铸造数值模拟技术方面的研发与实践工作经验，以及作为所在单位材料加工工程方向研究生负责人近10年的管理经验，编写此教材，以求充实目前材料加工工程领域数值模拟方面的教程，为材料成形铸造等行业数值模拟人才的培养提供*利器。铸造数值模拟涉及材料加工、力学、数学、计算机、软件等多个学科，因此，在教材编写时，编者对于难以理解的、跨学科的基本概念和基本理论，叙述上由浅入深、循序渐进。秉承所提出的实际案例搬进教材的教学理念，编者将90余个案例、200余张铸件图片放入教材中，让学生更能深入理解和运用模拟技术。为了使学生学会总结归纳所学知识并训练学生分析问题和解决问题的能力，每一章均安排了学习指导与习题，书末也提供了教材编写的参考文献，可供读者进一步学习。教材共13章：第1、2章概述了材料成形模拟技术以及数值模拟基本方法；第3～13章使用先理论、后实例的方式介绍了铸件成形过程所涉及的温度场、流动场、应力场、浓度场、电磁场以及微观组织模拟等6个方面，理论部分详细介绍了每一种物理场对应的数学模型与求解方法，实例部分则针对可能的成形缺陷以及对应的工艺优化举例进行了详细说明，较好地覆盖了目前铸造数值模拟技术各个方面。本教材由华中科技大学周建新、殷亚军、计效园、沈旭、李文共同编写完成。其中：周建新为主编，负责第1章、第2章的编写以及全书的统稿；殷亚军为副主编，负责第3章、第5章、第7章、第9章的编写；计效园为副主编，负责第4章、第6章、第8章、第10章的编写；沈旭负责第11章、第12章的编写，李文负责第13章的编写。本书可作为高等院校材料加工工程专业的研究生教材，也可作为材料加工工程液态成形等相关方向的科研工作者、企业工程管理者、工艺优化设计人员以及关注数字化、信息化、智能化技术的人员的参考书。鉴于编者水平有限，书中不足之处还请读者批评指正。周建新2022年11月于华中科技大学

第1章绪论(1)

学习指导(1)

第1节研究目的与研究内容(1)

1. 研究目的(1)

2. 研究内容(2)

第2节数值分析方法(2)

1. 有限差分法（FDM）(2)

2. 有限元法（FEM）(3)

3. 有限体积法（FVM）(3)

4. 直接差分法（DFDM）(3)

5. 边界元法（BEM）(4)

第3节CAE软件组成(4)

1. 前处理模块(4)

2. 计算分析模块(5)

3. 后处理模块(5)

本章小结(6)

本章习题(6)

第2章数值模拟方法基础(7)

学习指导(7)

第1节有限差分法基础(7)

第2节差分原理及逼近误差(8)

1. 差分原理(8)

2. 逼近误差(9)

第3节差分方程、截断误差和相容性(11)

第4节收敛性与稳定性(15)

1. 收敛性(15)

2. 差分格式的依赖区间与影响区域(17)

第5节Lax等价定理(18)

第6节有限元法概述(19)

第7节变分原理(20)

第8节里兹法(20)

第9节有限元求解基本过程(21)

1. 确定位移插值函数(21)

2. 建立应变应力矩阵(23)

3. 建立单元刚度方程(24)

4. 建立并求解整体刚度方程(24)

本章小结(24)

本章习题(25)

第3章温度场数学模型与数值求解(26)

学习指导(26)

第1节传热的基本方式(26)

1. 热传导(26)

2. 热对流(27)

3. 热辐射(27)

第2节温度场数学模型(27)

1. 傅里叶定律(27)

2. 热传导微分方程(28)

第3节基于有限差分法的离散(29)

1. 二维场合的离散格式(29)

2. 三维场合的离散格式(30)

第4节初始条件与边界条件(31)

1. 初始条件(31)

2. 边界条件(32)

第5节潜热处理(34)

1. 定义(34)

2. 考虑析出潜热的热能守恒式(34)

3. 固相率和温度的关系(35)

4. 潜热的实际处理方法(36)

第6节温度场数值模拟流程图(40)

本章小结(40)

本章习题(41)

第4章温度场模拟实例(42)

学习指导(42)

第1节概述(42)

第2节砂型铸钢件应用实例(42)

1. 壳体铸件凝固过程模拟(42)

2. 索箍铸件的工艺优化(43)

3. 大型下机架铸钢件工艺优化(44)

4. 半齿圈工艺改进(45)

5. 大型牌坊铸钢件凝固过程模拟(45)

6. 普通碳钢阀体凝固过程模拟(46)

7. 不锈钢阀体工艺改进(46)

8. 型体铸钢件工艺改进(48)

9. 某铸钢件工艺优化(49)

10. 轧辊凝固过程模拟(49)

第3节熔模铸钢件应用实例(51)

1. 熔模铸件A凝固过程模拟(51)

2. 熔模铸件B（锤头）的工艺优化(52)

3. 熔模铸件C凝固过程模拟(52)

4. 熔模铸件D的工艺优化(52)

5. 熔模铸件E凝固过程模拟(54)

6. 熔模铸件F凝固过程模拟(54)

7. 熔模铸件G凝固过程模拟(55)

8. 熔模铸件H凝固过程模拟(56)

9. 熔模铸件I凝固过程模拟(57)

第4节球铁件应用实例(57)

1. 汽车后桥壳工艺改进(57)

2. 排气管凝固过程模拟(58)

3. 主轴箱工艺优化(58)

4. 某大型球铁件凝固过程模拟(62)

5. 某汽车球铁件工艺优化(63)

6. 某微型球铁件工艺优化(68)

7. 联轴器工艺优化(68)

第5节灰铁件应用实例(69)

1. 制动盘工艺优化(69)

2. DISA灰铁件凝固过程模拟(69)

3. 保温冒凝固过程模拟(70)

4. 汽车灰铸铁凝固过程模拟(70)

5. 滑阀凝固过程模拟(71)

第6节铜合金铸件应用实例(72)

1. 螺旋桨叶片凝固过程模拟(72)

2. 内壳体凝固过程模拟(72)

3. 叶轮凝固过程模拟(73)

4. 泵体凝固过程模拟(74)

5. 精密铸铜件凝固过程模拟(75)

第7节铝合金重力铸件应用实例(76)

1. 铝合金轮毂铸件A凝固过程工艺分析(76)

2. 铝合金轮毂铸件B凝固过程工艺分析(77)

3. 铝合金铸件C凝固过程工艺优化(77)

4. 铝合金铸件D凝固过程工艺优化(77)

5. 铝合金铸件E凝固过程工艺分析(79)

第8节铝合金低压铸件应用实例(80)

1. 铝合金低压轮毂铸件A凝固过程工艺分析(80)

2. 铝合金低压连接器铸件B凝固过程工艺分析(81)

3. 铝合金低压铸件C凝固过程工艺分析(81)

4. 铝合金低压箱体铸件D凝固过程工艺分析(82)

5. 铝合金低压轮毂铸件E凝固过程工艺分析(82)

第9节压铸件应用实例(83)

1. 铝合金压铸件A凝固过程模拟(83)

2. 铝合金压铸件B凝固过程模拟(84)

3. 锌合金压铸件C凝固过程模拟(84)

本章小结(85)

本章习题(85)

第5章流动场数学模型与数值求解(86)

学习指导(86)

第1节流体的基本概念(86)

1. 恒定流动和非恒定流动(86)

2. 层流和紊流(87)

3. 黏性流与牛顿流体(87)

第2节流动分析的主要方法(87)

1. SIMPLE方法(87)

2. MAC及SMAC方法(87)

3. SOLAVOF方法(88)

4. SOLAMAC方法(88)

5. FAN方法(88)

6. Finite Volume方法(89)

7. 格子气模型(89)

第3节流动场数学模型(89)

1. 从Eular方程到NavierStokes方程(89)

2. 分离时间变量(91)

3. 方程的矢量形式(91)

4. 连续性方程(92)

第4节流动场数学模型的离散(92)

1. 离散格式的选择(92)

2. 动量守恒方程(NavierStokes方程)的离散(92)

3. 连续性方程的离散(93)

第5节SOLAVOF方法(93)

1. 体积函数的求值(93)

2. SOLAVOF计算方法(94)

第6节流动与传热耦合计算(95)

第7节流动场计算分析的流程(97)

本章小结(98)

本章习题(98)

第6章流动场模拟实例(99)

学习指导(99)

第1节概述(99)

第2节铸钢件应用实例(99)

1. 前压圈铸钢件充型过程模拟(99)

2. 熔模阀体铸件充型过程模拟(100)

3. 砂型阀体铸件充型过程模拟(100)

第3节球铁件应用实例(102)

1. 球铁排气管铸件充型过程模拟(102)

2. 球铁透平缸体充型过程模拟(103)

3. 球铁钢锭模铸件充型过程模拟(104)

4. 球铁DISA铸件充型过程模拟(105)

第4节灰铸铁件应用实例(106)

1. 柴油机机体充型过程模拟(106)

2. 灰铁箱体盖充型过程模拟(108)

3. 柴油机缸体充型过程模拟(108)

第5节铜合金铸件应用实例(109)

1. 内壳体铜合金铸件充型过程模拟(109)

2. 铜合金泵体充型过程模拟(110)

3. 铜合金倾转铸件充型过程模拟(111)

第6节铝合金重力铸件应用实例(112)

1. 某铝合金砂型铸件充型过程模拟(112)

2. 铝合金定子铸件充型过程模拟(112)

3. 铝合金倾转铸件充型过程模拟(113)

第7节低压铸件应用实例(114)

1. 上箱体低压铸件充型过程模拟(114)

2. 前罩低压铸件充型过程模拟(115)

3. 箱体低压铸件充型过程模拟(116)

第8节压铸件应用实例(116)

1. 铝合金压铸件后盖充型过程模拟(116)

2. 铝合金压铸件舱体充型过程模拟(116)

3. 铝合金压铸件硬盘壳充型过程模拟(118)

4. 某锌合金压铸件充型过程模拟(119)

5. 锌合金压铸件烘手罩充型过程模拟(119)

6. 铝合金压铸件盖体充型过程模拟(120)

7. 某铝合金压铸件充型过程模拟(120)

8. 铝合金压铸件变速箱充型过程模拟(121)

本章小结(123)

本章习题(123)

第7章应力场数学模型与数值求解(124)

学习指导(124)

第1节引言(124)

第2节应力场数学模型(125)

第3节热力耦合数学模型(125)

第4节热应力场数学模型离散(126)

1. 离散化过程(126)

2. 单元平衡方程的组装及约束处理(127)

3. 本构方程的离散(129)

4. 热载荷的离散(132)

第5节应力场计算分析流程(133)

本章小结(134)

本章习题(134)

第8章应力场模拟实例(135)

学习指导(135)

第1节概述(135)

第2节铸造凝固应力场模拟应用实例(135)

1. 应力框试件应力场模拟(135)

2. 减速箱箱体铸件应力场模拟(138)

3. 槽板铸件应力场模拟(139)

4. 铝合金机壳试件应力场模拟(140)

第3节固定端上摆热处理应力场模拟实例(142)

1. 模拟参数的确定(142)

2. 温度场模拟结果与分析(143)

3. 应力场模拟结果与分析(144)

4. 变形量模拟结果与分析(145)

第4节固定端上摆补焊应力场模拟实例(146)

1. 模拟参数的确定(146)

2. 温度场模拟分析与讨论(147)

3. 应力场模拟分析与讨论(148)

第5节弯梁铝合金铸件热处理时效应力模拟实例(150)

1. 弯梁铸件几何模型及划分网格(150)

2. 合金材料参数及工艺条件(151)

3. 应力变形模拟结果分析与讨论(152)

4. 时效处理模拟结果分析与讨论(155)

本章小结(156)

本章习题(156)

第9章浓度场数学模型与数值求解(157)

学习指导(157)

第1节概述(157)

第2节宏观偏析缺陷预测理论模型(158)

第3节溶质扩散理论基础(160)

1. 物质间的传质方式(160)

2. 凝固尺度(160)

3. 宏观偏析机理(161)

第4节铸造浓度场特性及数值求解过程(162)

1. 铸造浓度场的特性(162)

2. 数值求解过程(162)

第5节铸造浓度场求解流程图(165)

本章小结(165)

本章习题(166)

第10章浓度场模拟实例(167)

学习指导(167)

第1节概述(167)

第2节自然对流下浓度场模拟实例(167)

1. 二维FeC合金算例研究(167)

2. 三维铸钢件模拟研究(173)

第3节等轴晶移动浓度场模拟实例(182)

1. 二维FeC合金算例研究(182)

2. 三维铸钢件模拟研究(183)

本章小结(185)

本章习题(185)

第11章电磁场数学模型与数值求解(186)

学习指导(186)

第1节概述(186)

1. 感应电炉熔炼过程与简化的物理模型(186)

2. 金属凝固过程与简化的物理模型(187)

3. 基本假设(188)

第2节电磁场数学模型(188)

1. 电磁场控制方程数学建模(188)

2. 复矢量磁位和复标量电位描述求解方程组(190)

3. 边界条件(191)

第3节电磁条件下多物理场数学模型(193)

1. 假设条件(193)

2. 传热与流动耦合数学模型(194)

3. 流动与传质耦合数学模型(195)

第4节电磁条件下多物理场数学模型离散(196)

1. 混合交错网格模型建立(196)

2. 涡流区Vm内(199)

3. 非涡流区Vo内(200)

4. 求解域外边界上(200)

5. 涡流区外边界上(200)

6. 电磁收敛条件(203)

第5节电磁条件下多物理场模拟计算流程图(203)

本章小结(205)

本章习题(205)

第12章电磁场模拟实例(206)

学习指导(206)

第1节感应电炉熔炼过程电磁场数值模拟算例(206)

1. 引言(206)

2. 模型网格与计算参数(207)

3. 电磁场模拟结果与分析(208)

4. 电磁传热耦合行为模拟结果与分析(213)

5. 传热与流动行为耦合模拟结果与分析(217)

第2节铸钢锭凝固过程电磁场数值模拟算例(219)

1. 引言(219)

2. 模型网格与计算参数(219)

3. 电磁场模拟结果与分析(221)

4. 传热行为数值模拟结果与分析(225)

5. 流动行为数值模拟结果与分析(226)

6. 传质行为数值模拟结果与分析(230)

本章小结(235)

本章习题(235)

第13章金属材料成形微观组织模拟(236)

学习指导(236)

第1节概述(236)

第2节微观组织模拟方法(237)

1. 合金凝固组织模拟数理基础(237)

2. 组织模拟的数值方法(239)

第3节液态成形凝固组织模拟实例(242)

1. 元胞自动机方法枝晶组织模拟实例(242)

2. 元胞自动机方法晶粒结构模拟实例(244)

3. 相场法二元及多元合金组织模拟实例(246)

4. 相场法两相及多相组织模拟实例(248)

本章小结(250)

本章习题(251)

参考文献(252)

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