演講人：日期:計算機鑄造數(shù)值模擬技術(shù)CATALOGUE目錄01技術(shù)原理概述02核心算法體系03應(yīng)用場景分析04工程優(yōu)化設(shè)計05軟件工具架構(gòu)06技術(shù)發(fā)展展望01技術(shù)原理概述數(shù)值模擬基本概念數(shù)值模擬是依靠電子計算機，結(jié)合有限元或有限容積的概念，通過數(shù)值計算和圖像顯示的方法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的。數(shù)值模擬定義數(shù)值模擬的基本環(huán)節(jié)數(shù)值模擬的優(yōu)缺點數(shù)值模擬的基本環(huán)節(jié)包括建立數(shù)學(xué)模型、數(shù)值求解和結(jié)果解釋。數(shù)值模擬具有高效、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點，但也存在精度受限、模型簡化等問題。鑄造過程數(shù)學(xué)模型鑄造過程的物理數(shù)學(xué)模型鑄造過程的數(shù)學(xué)模型是基于鑄造過程的物理原理，如質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒等，結(jié)合數(shù)學(xué)公式和數(shù)值方法建立的。鑄造過程的數(shù)值模擬流程數(shù)學(xué)模型的種類鑄造過程的數(shù)值模擬流程包括前處理、求解和后處理三個階段。根據(jù)鑄造工藝的不同，鑄造過程的數(shù)學(xué)模型可分為鑄造充型、凝固過程、應(yīng)力場等數(shù)學(xué)模型。123熱力學(xué)耦合是指鑄造過程中溫度場、流場、應(yīng)力場等物理場之間的相互作用和影響。熱力學(xué)耦合機制熱力學(xué)耦合的定義熱力學(xué)耦合的數(shù)值模擬方法主要包括直接耦合和間接耦合兩種。熱力學(xué)耦合的數(shù)值模擬方法熱力學(xué)耦合在鑄造過程中主要應(yīng)用于預(yù)測鑄件的溫度分布、凝固過程、熱應(yīng)力等，從而優(yōu)化鑄造工藝。熱力學(xué)耦合在鑄造過程中的應(yīng)用02核心算法體系求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值技術(shù)，將整個求解域劃分為多個小的有限單元，通過求解每個小單元內(nèi)的簡單方程得到整體解。有限元法數(shù)學(xué)計算概念種類，求偏微分方程（或常微分方程）和方程組定解問題的數(shù)值解的方法，通過將方程中的導(dǎo)數(shù)用差商代替，把原方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解。有限差分法有限元/有限差分方法流動場求解技術(shù)數(shù)值穩(wěn)定性保證計算過程中數(shù)值解的穩(wěn)定性，避免產(chǎn)生數(shù)值震蕩或發(fā)散現(xiàn)象。01離散化方法采用有限差分、有限元等方法對流動場進行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為可求解的代數(shù)方程組。02迭代求解通過迭代方法逐步逼近真實解，常用的迭代方法有SIMPLE算法、PISO算法等。03凝固過程模擬算法宏觀-微觀耦合模擬將宏觀傳熱和流動過程與微觀組織演化相結(jié)合，實現(xiàn)多尺度耦合模擬。03通過模擬凝固過程中晶粒的生長和演化，預(yù)測鑄件的微觀組織和性能。02微觀組織模擬凝固路徑計算根據(jù)熱力學(xué)和動力學(xué)原理，計算凝固過程中各相的轉(zhuǎn)變路徑和溫度場分布。0103應(yīng)用場景分析預(yù)測縮孔和縮松通過數(shù)值模擬，可以預(yù)測鑄件在凝固過程中可能出現(xiàn)縮孔和縮松的位置和程度，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)。砂型鑄造缺陷預(yù)測預(yù)測熱裂紋可以模擬鑄件在凝固過程中溫度場和應(yīng)力場的變化，預(yù)測熱裂紋的產(chǎn)生位置和程度。預(yù)測鑄件變形可以模擬鑄件在冷卻過程中的變形情況，預(yù)測鑄件的最終形狀和尺寸精度。通過數(shù)值模擬，可以優(yōu)化壓鑄過程中的充型速度和壓力，避免鑄件產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷。壓鑄工藝參數(shù)優(yōu)化充型優(yōu)化可以模擬鑄件在凝固過程中的溫度場變化，優(yōu)化冷卻工藝，提高鑄件的組織和性能。凝固模擬通過模擬模具的溫度場分布，優(yōu)化模具的加熱和冷卻工藝，提高模具的使用壽命和鑄件的質(zhì)量。模具溫度控制精密鑄造成型驗證成型過程模擬可以模擬精密鑄造過程中金屬液的充型、凝固和冷卻過程，驗證鑄造工藝的可行性。01鑄件質(zhì)量控制通過數(shù)值模擬，可以預(yù)測鑄件的內(nèi)部缺陷和表面質(zhì)量，為鑄件的質(zhì)量控制提供依據(jù)。02鑄造工藝優(yōu)化可以模擬不同工藝參數(shù)對鑄件質(zhì)量的影響，為鑄造工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。0304工程優(yōu)化設(shè)計澆注系統(tǒng)仿真改進澆注系統(tǒng)優(yōu)化根據(jù)模擬結(jié)果，對澆注系統(tǒng)的布局、尺寸和形狀進行優(yōu)化設(shè)計，提高鑄造質(zhì)量和效率。03借助后處理技術(shù)，實現(xiàn)澆注過程的動態(tài)可視化，便于觀察金屬液的流動狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。02澆注過程可視化澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬通過數(shù)值模擬技術(shù)，對鑄造過程中澆注系統(tǒng)進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計缺陷，并提出優(yōu)化建議。01通過數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測鑄件在鑄造和冷卻過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布，為后續(xù)工藝提供參考。殘余應(yīng)力預(yù)測模型殘余應(yīng)力數(shù)值模擬將模擬結(jié)果以直觀的方式展示，如彩色云圖等，便于用戶查看和分析鑄件中的殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力可視化根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)，如澆注溫度、冷卻速度等，以調(diào)控鑄件中的殘余應(yīng)力，降低鑄件變形和開裂的風(fēng)險。殘余應(yīng)力調(diào)控微觀組織數(shù)值模擬將模擬結(jié)果以圖像或動畫的形式展示，便于用戶直觀了解鑄件的微觀組織特征。微觀組織可視化微觀組織調(diào)控根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整鑄造工藝參數(shù)或添加細化劑等措施，以調(diào)控鑄件的微觀組織，提高鑄件的性能和使用壽命。通過數(shù)值模擬技術(shù)，預(yù)測鑄件在凝固和冷卻過程中的微觀組織演變，包括晶粒大小、形態(tài)和分布等。微觀組織演變模擬05軟件工具架構(gòu)商業(yè)仿真平臺應(yīng)用仿真平臺選擇選擇成熟的商業(yè)鑄造數(shù)值模擬平臺，如MAGMA、FLOW-3D等，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。01鑄件建模與網(wǎng)格劃分利用商業(yè)平臺提供的建模工具，快速建立鑄件的三維模型，并進行合理的網(wǎng)格劃分。02求解設(shè)置與運行根據(jù)鑄件特點和工藝要求，設(shè)置模擬參數(shù)，運行模擬程序，得到鑄件數(shù)值模擬結(jié)果。03結(jié)果分析與優(yōu)化對模擬結(jié)果進行深入分析，發(fā)現(xiàn)鑄造過程中的問題，提出優(yōu)化方案，提高鑄件質(zhì)量。04開源模擬框架解析框架選擇與評估編譯與測試源代碼理解與定制社區(qū)支持與維護分析現(xiàn)有開源鑄造數(shù)值模擬框架的優(yōu)缺點，選擇適合項目需求的框架進行開發(fā)。深入理解開源框架的源代碼，根據(jù)項目需求進行定制開發(fā)，實現(xiàn)個性化功能。按照開源框架的編譯指南進行編譯，并進行全面的測試，確保自定義功能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。積極參與開源社區(qū)，獲取技術(shù)支持和更新，維護自定義功能的持續(xù)可用性。深入了解客戶需求，明確鑄造數(shù)值模擬的目標(biāo)和范圍，確定定制化開發(fā)的方向。根據(jù)需求分析結(jié)果，設(shè)計定制化開發(fā)的總體方案，包括技術(shù)路線、功能模塊等。按照設(shè)計方案，進行定制化功能的開發(fā)，并與現(xiàn)有模擬平臺進行集成，實現(xiàn)無縫對接。對定制化開發(fā)的功能進行全面的測試，確保滿足客戶需求，并交付給客戶使用。定制化開發(fā)方案需求分析方案設(shè)計開發(fā)與集成測試與交付06技術(shù)發(fā)展展望鑄造數(shù)值模擬將不僅僅局限于熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射等傳統(tǒng)熱物理場，還將擴展到應(yīng)力場、電磁場、流場等多物理場的耦合仿真。多物理場耦合趨勢耦合多物理場仿真從微觀的晶粒長大、組織演變到宏觀的鑄件變形、殘余應(yīng)力分布，實現(xiàn)多尺度模擬，以更準(zhǔn)確地預(yù)測鑄件質(zhì)量。多尺度模擬將鑄造工藝參數(shù)與數(shù)值模擬緊密結(jié)合，實現(xiàn)鑄造過程的數(shù)字化和智能化，提高鑄造生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量。耦合鑄造工藝高性能計算集成利用高性能計算機和并行計算技術(shù)，實現(xiàn)鑄造數(shù)值模擬的大規(guī)模計算，縮短計算周期，提高計算精度。并行計算技術(shù)云計算技術(shù)高效算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)借助云計算平臺，實現(xiàn)鑄造數(shù)值模擬的云端計算和資源共享，降低用戶硬件門檻，提高計算效率和靈活性。開發(fā)適用于鑄造數(shù)值模擬的高效算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高計算速度和內(nèi)存利用率，降低計算成本。智能制造融合路徑數(shù)字化鑄造車間以鑄造數(shù)值模擬為核心，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，