《材料成形模拟技术》讲义 第4章 温度场模拟软件 华中科技大学 周建新Tel: 027-87541922Email: zhoujianxin1975@ 主要内容1、温度场CAE软件概述 2、温度场模拟分析软件操作步骤3、工艺三维造型4、新建工程5、前处理网格剖分6、计算分析7、后处理数据可视化2 第一节 温度场CAE软件概述 （1/6） 经过四十多年的发展，目前铸造领域商品化数值模拟软件较多，国内外著名的软件系统有德国的“MAGMASOFT”、美国的“PROCAST”、国内华中科技大学的“华铸CAE”、清华大学“FT-STAR”等这些软件在铸造领域得到了较为广泛的应用，取得了良好的应用效果 下面以国内铸造行业著名的“华铸CAE”系统为例，介绍铸造充型凝固过程模拟软件的特点及应用 3 第一节 温度场CAE软件概述 （2/6）- 华铸CAE透视铸型、铸件透视铸型、铸件, ,洞观充型、凝固洞观充型、凝固! ! 华铸华铸CAE/CAE/InteCASTInteCAST4 第一节 温度场CAE软件概述 （3/6） - 华铸CAE华铸CAE总控平台界面 华铸CAE前处理界面 华铸CAE后处理界面 华铸CAE计算分析界面 5 第一节 温度场CAE软件概述 （4/6）- 华铸CAE•适用合金适用合金适用合金适用合金: : : : 铸钢（铸钢（铸钢（铸钢（普通碳钢、低合金钢、高合金钢普通碳钢、低合金钢、高合金钢普通碳钢、低合金钢、高合金钢普通碳钢、低合金钢、高合金钢）））） 铸铁（铸铁（铸铁（铸铁（灰铁、球铁、特种铸铁灰铁、球铁、特种铸铁灰铁、球铁、特种铸铁灰铁、球铁、特种铸铁）））） 铸铝铸铝铸铝铸铝 铸铜铸铜铸铜铸铜 铸锌铸锌铸锌铸锌 铸镁铸镁铸镁铸镁 6 第一节 温度场CAE软件概述 （5/6）- 华铸CAE•铸造方式：铸造方式：铸造方式：铸造方式： 砂型、金属型重力铸造砂型、金属型重力铸造砂型、金属型重力铸造砂型、金属型重力铸造 大型、超大型重力铸造大型、超大型重力铸造大型、超大型重力铸造大型、超大型重力铸造 低压铸造、差压铸造低压铸造、差压铸造低压铸造、差压铸造低压铸造、差压铸造 高压铸造高压铸造高压铸造高压铸造 旋转铸造旋转铸造旋转铸造旋转铸造 熔模铸造熔模铸造熔模铸造熔模铸造7 第一节 温度场CAE软件概述 （6/6）- 华铸CAE•模拟分析范围：模拟分析范围：模拟分析范围：模拟分析范围： 充型流动模拟充型流动模拟充型流动模拟充型流动模拟 流动与传热耦合模拟流动与传热耦合模拟流动与传热耦合模拟流动与传热耦合模拟 结晶凝固模拟结晶凝固模拟结晶凝固模拟结晶凝固模拟 应力应变模拟应力应变模拟应力应变模拟应力应变模拟 缺陷分析与预测缺陷分析与预测缺陷分析与预测缺陷分析与预测( ( ( (缩孔、缩松、卷气、夹杂、缩孔、缩松、卷气、夹杂、缩孔、缩松、卷气、夹杂、缩孔、缩松、卷气、夹杂、浇不足、冷隔、冲砂浇不足、冷隔、冲砂浇不足、冷隔、冲砂浇不足、冷隔、冲砂) ) ) )8 第二节 温度场模拟分析软件操作步骤（1/1） 下面以“华铸CAE”为例，说明如何利用铸件凝固过程模拟分析软件来进行铸件工艺的分析，主要步骤如下：（1）工艺三维建型；（2）新建工程；（3）前处理网格剖分；（4）参数设定与计算分析；（5）后处理数据可视化。
9 第三节 工艺三维造型（1/2） 三维造型工作是利用商品化的三维造型软件来完成的华铸CAE集成系统可以与目前几乎所有流行的三维CAD系统进行数据交换，这些系统包括：AutoCAD、MDT、UG、SolidEdge、PRO/ENGINEER、I-DEAS、CADAM、SolidWorks、EUCLID、CATIA 等用户可以任意选择上述CAD系统，华铸CAE对这些CAD系统的唯一要求是：这些系统必须提供STL接口而实际上上述绝大部分CAD系统都带有导出STL文件功能，是它们的标准配置 华铸CAE对三维造型有如下要求：1）要求准确地、全面地进行三维造型分析对象的各个组成部分应全部进行三维造型，例如铸件、浇注系统、冒口、砂芯、冷铁、冒口套、铸型等，只要实际生产有的实体，造型时均应输入到电脑中去2）不同材质的实体，造型时必须分开例如铸件与冷铁必须是两个实体，分开造型3）相同材质的实体，可分开，也可不分开例如铸件、浇注系统与冒口的材质相同（充满时都是金属），造型时可以将此三部分作为一个实体进行造型，也可分开作为三个实体系统建议最好分开造型，这样会带来很多好处4）各个实体必须按实际生产情况进行正确的装配。
5）三维造型工作是一个繁琐的工作，占整个分析中工作量的90%以上10 第三节 工艺三维造型（2/2）下图所示的为某铸件及工艺的三维实体图（STL文件），下面以此为例进行凝固过程模拟分析的介绍a) 铸件浇冒口 (b) 铸件浇冒口以及冒口套 图 某铸件及工艺三维实体（STL文件）11 第四节 新建工程（1/3）华铸CAE由三个相对独立的模块组成，即前置处理部分（网格剖分模块），计算处理部分和后置处理部分(图形显示部分)上述三部分统一于系统控制平台，成为一个有机的整体，用户必须通过控制平台来操作整个华铸CAE系统左图所示即为华铸CAE控制平台的界面，包括：主菜单，工具栏，状态栏，三维图形显示区、当前工程信息显示区以及新近工程列表区等组成12 第四节 新建工程（2/3）华铸CAE定义一个铸件的某一工艺的分析任务就是一个工程，不同的铸件毫对应不同的工程，同一铸件不同工艺也对应不同的工程一个工程也就是一个工艺的分析可以对应不同的计算任务，如充型过程分析、凝固过程分析等华铸CAE规定做一个剖分或者一个计算都必须建立一个工程，或者打开一个已有的旧工程。
为此系统的控制平台提供了新建工程、打开旧工程和工程管理维护等功能左图所示即为新建一个工程，要输入单位、操作人、铸件名、工艺号、材质、铸件描述、工艺描述等参数；选择容量大的硬盘分区，选定后系统会自动填写“工作路径”和“工程命名” “工作路径”如与已有的路径重名，或者当前工程与工程库中的工程重名时系统会提示这时用户需要更改铸件名或者工艺号工作路径定义方式：盘符盘符\铸件名铸件名\PRO_工艺号工艺号工程命名方式：铸件名铸件名_PRO_工艺号工艺号.TSK 13 第四节 新建工程（3/3）左图所示为打开刚新建的工程，新工程一旦建立就可以进入前处理、计算分析和后处理14 第五节 前处理网格剖分（1/5）进入华铸CAE控制平台后，选择“前置处理”按钮后，即进入华铸CAE前置处理软件，如左图所示系统界面包括：主菜单、工具栏、状态栏、进展条、三维图形显示区、信息树显示区、剖分信息显示区和二维图形显示区等组成 15 第五节 前处理网格剖分（2/5）华铸CAE前处理的主要步骤:（1）设定STL材质属性（2）设定优先级别（3）设定网格参数（4）设定其他参数 ** 自动剖分 （5）设定剖分结果显示参数（6）剖分结果显示（7）剖分结果连通性检查（1）设定STL材质属性16 第五节 前处理网格剖分（3/5）（2）设定优先级别（3）设定网格参数17 第五节 前处理网格剖分（4/5）（4）设定其他参数(5)设定剖分结果显示参数18 第五节 前处理网格剖分（5/5）（6）剖分结果显示 （7）剖分结果连通性检查19 第六节 计算分析（1/8） 华铸CAE计算模块总计有4种计算，如右所示，分别为纯凝固传热计算[第1种计算]、纯充型流动计算[第2种计算]、充型与传热耦合计算[第3种计算]、基于耦合的凝固计算[第4种计算]。
充 型 过 程凝 固 过 程无传热，第2种计算第1种计算有传热，第3种计算第4种计算进入华铸CAE控制平台后，选择“计算分析”按钮后，即进入华铸CAE计算分析系统，如左图所示系统界面包括：主菜单、工具栏、状态栏、进展条、图形显示区、任务命令区、信息树显示区以及曲线显示区等组成 20 第六节 计算分析（2/8）凝固过程计算（第1种计算）的主要步骤：（1）设定计算分任务（2）设置合金属性（3）设置铸件铸型等物性参数（4）设置界面参数（5）设置凝固计算中其它参数（6）设置重力补缩参数（7）设置计算结束参数（8）设置数据自动保存参数（9）设置计算时温度数据图形显示方式（10）本次计算任务总结21 第六节 计算分析（3/8）（1）设定计算分任务 (2)设置合金属性22 第六节 计算分析（4/8）（3）设置铸件铸型等物性参数（a）铸件物性参数（b）铸型物性参数23 第六节 计算分析（5/8）（4）设置界面参数 （5）设置凝固计算中其它参数24 第六节 计算分析（6/8）（6）设置重力补缩参数 （7）设置计算结束参数25 第六节 计算分析（7/8）（8）设置数据自动保存参数 （9）设置计算时温度数据图形显示方式26 第六节 计算分析（8/8）（10）本次计算任务总结27 第七节 后处理数据可视化（1/9） 凝固过程模拟其后处理的功能是海量温度场数据可视化，华铸CAE凝固过程后处理主要包含（1）铸件色温（2）温度梯度（3）铸型色温（4）凝固液相（5）凝固次序（6）定量缩孔（7）Nyma缩松（8）温度曲线等功能，如下图所示，下面简要介绍。
28 第七节 后处理数据可视化（2/9）（（1）） 铸件色温 铸件凝固过程中，随着热量的散失，温度不断降低用不同的颜色对应不同的温度，适当的色标对应，绘出不同时刻的铸件图，能贴切形象地表现铸件凝固过程中温度的变化下图即为铸件在凝固过程中某一时刻铸件色温a）整体（b）剖切 29 第七节 后处理数据可视化（3/9）（（2））温度梯度 铸件凝固过程中不同部位，其温度变化有很大差异，下 图即为铸件在凝固过程中某一时刻铸件温度梯度分布a）带箭头的线段表示 （b）颜色表示 30 第七节 后处理数据可视化（4/9）（（3））铸型色温 在模拟分析中，不仅要计算铸件浇冒口系统的温度场，而且要计算与传热相关的铸型、冷铁、冒口套等温度场分布，下图是铸型色温分布图，即显示铸件/冒口套/铸型的温度分布a）铸件/冒口套/铸型全部显示（b）不显示铸件 31 第七节 后处理数据可视化（5/9）（（4））凝固液相 取某一临界固相率温度，高于此温度的网格单元以颜色填充显示，而低于此温度的网格单元以线条轮廓显示由此可观察凝固过程中的相变细节，可观察液相补缩通道的断开，孤立液相区的形成过程，为改进工艺、判断工艺的可行性提供科学的依据。
下图是铸件在凝固过程中不同时刻液相分布a）显示铸件及浇冒口中的液相 （b）仅显示铸件中的液相32 第七节 后处理数据可视化（6/9）（（5））凝固次序 铸件浇冒口不同部位其凝固时间不一样，凝固次序是将铸件及浇冒口某部位的凝固时间用颜色表达出来，这样在同一画面即可看出铸件的凝固次序下图是铸件浇冒口的凝固次序a）整体（b）剖切33 第七节 后处理数据可视化（7/9）（（6））定量缩孔 铸件凝固过程同时也是缩松缩孔的形成过程，华铸CAE软件采用了重力补缩技术，能够计算缩松缩孔形成过程以及定量地预测缩松缩孔的位置大小形状等下图是铸件凝固后的缩松缩孔分布a）显示铸件及浇冒口中的缩松缩孔 （b）仅显示铸件中的缩松缩孔34 第七节 后处理数据可视化（8/9）（（7）） Nyma缩松 日本的Niyama教授提出了G/R1/2判据来预测微观缩松，华铸CAE利用该判据能够有效地预测微观缩松分布，下图是不同临界值下的Nyma缩松分布 （a）较大的Niyama值 （b）较小的Niyama值35 第七节 后处理数据可视化（9/9）（（8）） 温度曲线温度曲线 华铸CAE能够获取铸件/铸型中某一点的不同时刻的温度值，下图所示的就是铸件/铸型是不同点温度曲线图。
a）放置热电偶 （b）温度曲线 36 。