基于MATLAB平臺(tái)有限單元法的鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬.pdf

1、自20世紀(jì)70年代開(kāi)始,以信息技術(shù)為先導(dǎo)推動(dòng)傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的發(fā)展,已成為現(xiàn)代鑄造技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。而計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用,不僅已成為高質(zhì)量生產(chǎn)的必備條件,同時(shí)也是鑄造生產(chǎn)現(xiàn)代化的主要發(fā)展方向。
　　通過(guò)鑄件凝固過(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬,工程師能夠在實(shí)際澆鑄前預(yù)測(cè)和分析鑄件變形、裂紋及殘余應(yīng)力,為防止因應(yīng)力集中所造成的缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、確保鑄件成品尺寸精度要求、提高鑄件力學(xué)強(qiáng)度和質(zhì)量提供了科學(xué)的依據(jù)。目前鑄件熱應(yīng)

2、力場(chǎng)數(shù)值模擬依然是鑄造過(guò)程宏觀模擬的研究熱點(diǎn)及研究難點(diǎn)。
　　當(dāng)前,國(guó)內(nèi)鑄造過(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)模擬研究大部分借用國(guó)外通用有限元商品化分析軟件,如ANSYS、MARC、ADINA、ABUQUS等作為應(yīng)力場(chǎng)分析工具,進(jìn)行FDM/FEM集成化研究。誠(chéng)然,這能幫助我們模仿乃至探究鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬仿真的基本思路和辦法,但是,國(guó)外關(guān)鍵技術(shù)的封鎖及國(guó)內(nèi)企業(yè)的需求,決定了鑄造凝固過(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬必然要走自主創(chuàng)新、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)化軟件

3、道路,因此,開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)化鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)模擬仿真軟件顯得十分必要。
　　本研究緊密結(jié)合學(xué)科研究前沿?zé)狳c(diǎn)和鑄造生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程,充分利用華鑄課題組成熟的數(shù)值模擬技術(shù)和華鑄課題組商品化軟件成果-華鑄CAE,依靠MATLAB平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)數(shù)值計(jì)算能力,走借鑒對(duì)比國(guó)外成熟商品化軟件、完全自主編程開(kāi)發(fā)鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)模擬程序的道路?；贛ATLAB平臺(tái)開(kāi)發(fā)程序,避免了復(fù)雜的矩陣計(jì)算所造成的編程瓶頸,提高了開(kāi)發(fā)效率,增加了計(jì)算精度。依托華

4、鑄CAE模擬鑄件凝固過(guò)程中的流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)結(jié)果,再將溫度場(chǎng)作為熱載荷傳入使用有限單元法編寫的熱應(yīng)力場(chǎng)模擬分析程序,將有限差分法(FDM)模擬流動(dòng)傳熱及有限單元法(FEM)模擬變形應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起,進(jìn)一步提高了程序模擬計(jì)算的效率和精度。本研究基于MATLAB平臺(tái)采用FEM方法對(duì)鑄造過(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究,成功開(kāi)發(fā)了MATLAB平臺(tái)的鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)模擬程序,可以用來(lái)計(jì)算鑄件的殘余應(yīng)力、模擬鑄件的熱變形以及預(yù)測(cè)鑄件熱裂產(chǎn)生的傾向

5、。
　　最后,本研究采用典型試件柵形應(yīng)力框?qū)λ_(kāi)發(fā)的算法和程序進(jìn)行了算例驗(yàn)證,并與商品化軟件ANSYS的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,二者吻合良好。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了實(shí)際鑄件的澆鑄結(jié)果,發(fā)現(xiàn)本研究模擬計(jì)算得出的鑄件應(yīng)力集中區(qū)域正是真實(shí)鑄件的脆弱斷裂區(qū)域。對(duì)比試驗(yàn)表明,本研究所采用的算法及開(kāi)發(fā)的程序能較好地預(yù)測(cè)鑄件變形及熱應(yīng)力的集中位置。本研究自主開(kāi)發(fā)的可較準(zhǔn)確計(jì)算鑄件熱應(yīng)力及熱變形的FEM模擬程序,為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)商品化FEM鑄造熱應(yīng)力場(chǎng)模擬軟