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1、 1 计算机在材料科学中的应用 D 计算机在材料科学中的应用 D(模拟部分)小论文(模拟部分)小论文 姓 名：李 霞 学 号：04120051 姓 名：李 霞 学 号：04120051 22007-2008 学年秋季学期(2007 年 10 月)计算机在材料科学中的应用 D(模拟部分)期末小论文 2007-2008 学年秋季学期(2007 年 10 月)计算机在材料科学中的应用 D(模拟部分)期末小论文 姓 名 李 霞 学 号 04120051 成 绩 1前言（10 分）计算机和网络技术现今已十分普及，不再神秘莫测。除了人们利用计算机进行文字处理、电子表格、一般计算等方面工作外，还可通过网络传
2、输电子邮件、技术资料、产品图样等各种信息。热加工领域中计算机的应用也十分广泛，已渗透到热加工工艺、生产、管理等各个环节和过程。在信息数据处理、监测与控制、生产过程和工艺辅助设计与制造等方面应用最为普遍。近几年来，铸造生产中越来越多的利用计算机模拟来提高产品的质量和生产率，降低了生产成本。在计算机在材料科学中的应用 D这门课程当中，我们主要学习了计算机辅助工程 CAE，并运用此软件做了一次模拟实验。CAE 是通过建立能够准确描述研究对象某一过程的数学模型，采用合适可行的求解方法，使得计算机模拟仿真出研究的特定过程，分析有关影响因素，预测这一特定过程的可能趋势与结果。铸造过程数值模拟技术便属于典型
3、的 CAE。此次实验大致分为四个步骤：运用各种软件绘制三维零件图，并将其转成 STL 文件形式；接着进行预处理，预处理包括设定模拟目标和铸件材料物性值（密度、热传导率、比热、浇注温度、凝固潜热、运动年度系数、液相线温度、固相线温度）以及铸型的参数（密度、热传导率、比热、初始温度等）；经过计算之后就进行后处理，便可知铸造过程中可能存在的问题并加以改进。2解析模型(STL)的建立过程（20 分）本人采用的是 SolidWorks 软件进行三维制图，绘制一皮带轮结构 3 图 1-1 先绘制出如图 1-1 的基本线 图 1-2 将图 1-1 绕基准轴旋转 360 度即可得皮带轮结构 4 图 1-3 在
4、图 1-2 上加上浇道和冒口即可得图 1-3 最后将图 1-3 保存为 STL 文件格式。3金属液充型过程的模拟与结果分析（30 分）将 STL 文件到入计算机模拟软件中，查看重力加速度方向与充型的方向是否一致，选择浇注方向，点击 offset 将模型划分网格，并选择适当的精度，用 Enmesh读入网格，检验模型是否完好，作必要的修补并加以保存。接着做分析条件设置，在设置之前点击“考虑初期温度”，以便在做流动分析时的温度数据可以传到下一步凝固分析，在选择型砂及铸造材料，输入参数，选择空气（air）作为 dummy 层，铸型（mold）为湿型（green），铸件（casting）选择 HT150
5、。流动速度（inflow velocity）选择为 20cm/s，在热阻（resistance）中空气与砂型之间的热阻选择为 1000，砂型与灰铁之间的热阻为 2.5，然后保存（注意此处为另存为）。5 图 2-1 在浇注过程中，如图 2-1 中出现了一孤立液体团，由于左侧内浇道与直浇道距离较远，因此在出现这一孤立液体团时，左侧内浇道仍未起作用，当左侧内浇道重金属液体到达孤立液体团时，孤立液体团已经开始凝固，降低了金属液流动性 6 在图 2-2 中，就可以看到在此张图中出现了很多孤立的金属液体团，而且还出现了成分不均匀的现象，这是因为整个零件的周边是圆形，三个内浇道都是不平行的，所以金属液流动不
6、平行，汇聚时很容易产生冲突，于是就产生了成分不均匀的现象，在此处也是最容易产生氧化夹杂的地方。而且在充型过程中，零件内部的流体不稳定，容易产生紊流，发生卷气现象。7 图2-3 在图 2-3 中显示的问题是在充型后期，两侧的内浇口温度稍高，应该是符合规律，但是中间内浇口的温度梯度过高。在充型模拟过程中，我发现充型速度不够快，导致在冒口部位没有流到原因（因为在设置条件参数时，将固相率设置为 0.8），我认为可以将冒口加长加粗，另外可以将中间的内浇口去掉，这样可以减少液体的在充型时的冲突。84金属凝固过程的模拟与结果分析(30 分)图 3-1 在凝固过程中发现，所设置的冒口在凝固初期时，冒口颈部就已
7、经凝固，如图 3-1，所以在零件凝固的时候起不到补缩作用。9 图 3-2 在凝固过程中期，我发现在零件中出现了很多孤立的金属液体团，它们在凝固的时候得不到补缩，就会产生缩松和缩孔。经过凝固分析模拟，我发现我所设置的冒口根本没有起到作用，而且，我发现冒口的位置可能不对，设置在零件上部并没有起到补缩作用，如果将它设置在零件表面可能会起到作用；另外，为了防止冒口凝固过快，可以使用保温冒口。5结论与体会(10 分)在经过这次计算机模拟实验之后，我不仅学到了如何操作 CAE 模拟软件，还温习了以前学习过的凝固过程及其组织控制。由于没有任何经验可言，所以画出的铸件经过模拟之后出现了很多问题，如在充型的时候
8、发生卷气，金属液在充型时起了冲突，容易产生氧化夹杂物等等，在凝固过程中，发生了冒口凝固速度过快，没有起到补缩作用，另外出现了很多孤立的金属液体团，容易出现缩松等 10缺陷，而其最后凝固位置是在齿轮的边缘，而作为一皮带齿轮就是用其边缘与皮带接触的，所以可以在边缘置放冷铁，改变凝固顺序。以上的结论只是个人猜测，并没有经过实验证明，所以不知对错。通过这次的模拟实验，我发现了计算机在铸造工艺中的应用是很有必要的，可以预测缺陷的存在和问题的出现，大大的减少了成本和浪费，虽然在生产中技术和经验非常重要，但是新科技的加入会让我们如虎添翼。6参考文献 1杨弋涛凝固过程计算机模拟的基础与实践上海大学2003.12 2李英民 崔宝侠 苏仕方计算机在材料热加工领域中的应用 机械工业出版社 2001.06