CN102073769A - 一种快速预测铸件热节的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速预测铸件热节的方法，该方法大大提高了热节预测的效率，缩减铸造工艺设计周期和并且提高了工艺设计的精准度，实现步骤如下：1)利用CAD的三维建模功能，对铸型及铸件进行三维建模；2)对铸型及铸件模型进行有限差分网格均匀划分；3)网格划分完成后，读取每一个单元网格的中心坐标值；4)对全部网格进行第一次遍历，得到每个单元网格各正交方向的自身散热能力；5)对全部网格进行第二次遍历，得到每个单元网格的散热能力；6)根据计算出的各个单元网格的散热能力，判断铸造热节位置。

Description

一种快速预测铸件热节的方法

技术领域

本发明涉及一种快速预测铸件热节的方法，属于计算机应用技术领域。

背景技术

铸件热节处往往伴随着诸多的缺陷，精确并且快速的预测热节位置能够提高铸件质量；冒口设计以及其他补缩方式设计是铸造工艺设计的重要内容，快速精确的得到热节位置能够帮助企业提高铸件质量以及设计效率。

Chvorinov定律将铸件的模数(M)定义为铸件体积(V)与散热面面积(A)的比值，即M＝V/A。这种方法由于是针对铸件整体而言，缺乏足够的准确性。传统的点模数法，公式如下所示：

$\mathrm{SM}=2/\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}1/d_i$

其中，SM为当前计算横截面上某一点的点模数，N为当前计算横截面对应的散热面数目，d_i为当前计算点到某一散热面的距离。传统的点模数方法是在铸件上切取某一横截面，然后根据所需计算的位置的点到各个外表面与横截面交线的距离，通过上述公式得到的值来预测热节位置的。该方法只能针对于二维的横截面应用，而且通常人工计算所选截面要求苛刻，计算量非常大而且繁琐，不易进行计算机应用。拓展到三维情况后，由于不能考虑到周围节点对于某一节点的散热影响，应用得到的结果并不理想，不能准确的预测容易产生铸造缺陷的热节位置。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种快速预测铸件热节的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种快速预测铸件热节的方法，该方法的实现步骤如下：

(1)利用CAD的三维建模功能，对铸型及铸件进行三维建模；

(2)对铸型及铸件模型进行有限差分网格均匀划分；

(3)网格划分完成后，读取每一个单元网格的中心坐标值；

(4)对全部网格进行第一次遍历，得到每个单元网格各正交方向的自身散热能力；

(5)对全部网格进行第二次遍历，得到每个单元网格的散热能力；

(6)根据计算出的各个单元网格的散热能力，判断铸造热节位置。

所述步骤4)中，得到每个单元网格各正交方向的自身散热能力的步骤如下：

A)计算每一个单元网格中心到±X、±Y、±Z方向上铸件散热面的距离d_l，l＝1～6；

B)每一个方向上距离的倒数为该单元网格在该方向上的散热能力P_l，P_l＝1/d_l，l＝1～6。

所述步骤5)中，得到每个单元网格总的散热能力的步骤如下：

A)计算每个单元网格中心到±X、±Y、±Z方向即到六个面的自身散热能力之和

B)计算所有自身散热能力之和

与各个面的相邻单元对应的散热能力之差，对差取倒数，得到每个单元网格的散热能力：

$P_{i,j,k}=1/\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j,k}^l-P_{i,j,k-1}^l-P_{i,j,k+1}^2-P_{i,j+1,k}^3-P_{i,j-1,k}^4-P_{i-1,j,k}^5-P_{i+1,j,k}^6$

其中，P_i，j，k是当前计算网格单元处的散热能力，

l＝1～6是当前计算网格单元各个正交方向面的散热能力，l＝1为顶面，l＝2为底面，l＝3为左面，l＝4为右面，l＝5为前面，l＝6为后面，

是与当前计算网格单元下表面接触的网格单元的上表面散热能力，

是与当前计算网格单元上表面接触的网格单元的下表面散热能力，

是与当前计算网格单元右表面接触的网格单元的左表面散热能力，

是与当前计算网格单元左表面接触的网格单元的右表面散热能力，是与当前计算网格单元后表面接触的网格单元的前表面散热能力，是与当前计算网格单元前表面接触的网格单元的后表面散热能力。

所述步骤6)中，判断铸造热节位置的方法是：

1)如单元网格的散热能力越大，那么该单元成为热节单元的倾向性越小；如单元网格的散热能力越小，那么该单元成为热节单元的倾向性越大；

2)通过颜色反映在三维网格实体上，散热能力的大小与颜色深浅成正比，即散热能力越大对应的颜色越深，散热能力越小对应的颜色越浅；

3)颜色最深处为铸件热节位置。

本发明的技术方案中，计算(i，j，k)单元某一传热面向其相邻网格单元传热的能力用公式：

P_l＝1/d_l，l＝1～6

其中，d_l是当前计算网格单元l表面在对应方向上离散热表面的距离(l＝1为顶面，l＝2为底面，l＝3为左面，l＝4为右面，l＝5为前面，l＝6为后面)，这样将当前计算网格单元(i，j，k)的6个正交方向上的计算结果P_l相加并减去相邻单元在共有面上的计算结果，得到的结果再求倒数，该结果为铸件在(i，j，k)位置单元的散热能力P_i，j，k，P_i，j，k的计算公式为：

$P_{i,j,k}=1/\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j,k}^l-P_{i,j,k-1}^l-P_{i,j,k+1}^2-P_{i,j+1,k}^3-P_{i,j-1,k}^4-P_{i-1,j,k}^5-P_{i+1,j,k}^6$

该公式可以精确计算铸件在(i，j，k)位置单元的散热能力；其中，P_i，j，k是当前计算网格单元处的散热能力，l＝1～6是当前计算网格单元各个正交方向面的散热能力，l＝1为顶面，l＝2为底面，l＝3为左面，l＝4为右面，l＝5为前面，l＝6为后面，

是与当前计算网格单元下表面接触的网格单元的上表面散热能力，

是与当前计算网格单元上表面接触的网格单元的下表面散热能力，

是与当前计算网格单元右表面接触的网格单元的左表面散热能力，

是与当前计算网格单元左表面接触的网格单元的右表面散热能力，是与当前计算网格单元后表面接触的网格单元的前表面散热能力，

是与当前计算网格单元前表面接触的网格单元的后表面散热能力。通过以上公式计算所得到的结果P_i，j，k与实际铸件所得结果十分相近。

有益效果：传统传热方程计算过程需要大量迭代过程，迭代步骤多而且繁琐，因而需要很长的计算周期，而本发明仅仅需要两次遍历网格单元的过程，大大缩短了热节的预测时间；另外，本发明计算结果与真实铸件结果十分接近，因而本发明不但提高了热节预测的效率，缩减铸造工艺设计周期，并且提高了工艺设计的精准度，同时热节的预测的精度也比较高。根据预测的热节位置，铸造工艺设计人员可以通过设计冒口以及冷铁等措施消除热节的影响。

附图说明

图1是当前计算网格单元与其相邻网格单元之间的在正交方向的六个面上的散热能力；

图2是本发明的流程图；

图3为实施例的铸件三维图；

图4(a)为采用本发明得到的图3的模型计算结果分布；

图4(b)为采用本发明得到的图3的预测的热节位置；

图4(c)为通过传热方程预测的图3的热节位置；

图4(d)为图3的真实铸件中的热节位置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，(i，j，k)是当前计算网格单元，表示在X方向上第i个，Y方向上第j个，Z方向上第k个单元网格；P_i，j，k是当前计算网格单元处的散热能力，

是当前计算网格单元上表面散热能力，

是当前计算网格单元下表面散热能力，

是当前计算网格单元左表面散热能力，

是当前计算网格单元右表面散热能力，

是当前计算网格单元前表面散热能力，

是当前计算网格单元下表面散热能力，

是与当前计算网格单元下表面接触的网格单元的上表面散热能力，

是与当前计算网格单元上表面接触的网格单元的下表面散热能力，

是与当前计算网格单元右表面接触的网格单元的左表面散热能力，

是与当前计算网格单元左表面接触的网格单元的右表面散热能力，

是与当前计算网格单元后表面接触的网格单元的前表面散热能力，

是与当前计算网格单元前表面接触的网格单元的后表面散热能力(

因为是±Z方向上的散热能力，故未在图1中标出)。

如图2所示，为本发明的实现方法流程图，具体实现步骤如下：

1)在三维CAD中，利用建模功能，完成铸件、铸型等的三维建模；

2)将铸件、铸型等实体在三维CAD软件导出STL格式文件；

3)对STL格式的铸件以及铸型实体进行均匀有限差分网格划分，进行有限差分网格划分时，设定的步长应满足：X，Y，Z方向上的长度能被步长整除且步长应选取满足计算精度要求所需要的长度；如在图2中，X方向长度为100，Y方向长度为300，Z方向为40，坐标原点取在视图的左后下顶点，+X为垂直视图向外，+Y为水平向右，+Z为竖直向上，如选择步长为1或2，需要划分的网格较多且对于结果的精度提高不大，结合图2的实际情况选取X方向上步长为4，Y方向上步长为5，Z方向步长为5；

4)在计算机程序中读入已进行网格剖分的文件，在此过程中能够读取每一个单元网格的X、Y、Z的值即网格单元中心坐标值；

5)通过第一次对全部网格的遍历(遍历就是将每一个网格单元都当作当前计算网格单元按照计算要求进行相关计算，遍历的方式是：Z＝k，Y＝j，X＝i(i＝1～X_MAX，j＝1～Y_MAX，k＝1～Z_MAX)，其中X_MAX为X方向网格单元数，Y_MAX为Y方向网格单元数，Z_MAX为Z方向网格单元数，初始网格单元为k＝1，j＝1，i＝1，在k＝1和j＝1情况下按照i的递升顺序计算(i，1，1)网格单元的计算量，直至i达到最大值，即X方向上的最大网格单元数，此时Y方向上也即j自动加1，计算(i，2，1)网格单元的计算量，这样随着Y的增加，当Y＝Y_MAX时，在Z＝1平面上所有网格单元计算完毕，Z方向上也即k自动加1，进行(i，j，2)等网格单元的计算，当Z＝Z_MAX时所有网格单元都已经循环一遍。由于网格单元总数是有限的，通过以上方法可以计算每一个网格单元的所需计算量)。通过全部网格单元的遍历可以得到每一个单元网格中心到±X、±Y、±Z方向上铸件散热面的距离d_l。每一个方向上距离的倒数视作这个方向上该单元的散热能力P_l＝1/d_l，l＝1～6，该能力直接影响与其相邻单元的散热；

6)第二次遍历网格，在该六面体网格的六个面上的所有自身散热能力与其各个面的相邻单元对应面的散热能力之差，再取倒数：

$P_{i,j,k}=1/\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j,k}^l-P_{i,j,k-1}^l-P_{i,j,k+1}^2-P_{i,j+1,k}^3-P_{i,j-1,k}^4-P_{i-1,j,k}^5-P_{i+1,j,k}^6$

其中，P_i，j，k是当前计算网格单元处的散热能力，l＝1～6是当前计算网格单元各个正交方向面的散热能力，l＝1为顶面，l＝2为底面，l＝3为左面，l＝4为右面，l＝5为前面，l＝6为后面，

是与当前计算网格单元下表面接触的网格单元的上表面散热能力即(i，j，k-1)网格单元上表面沿+Z方向到铸件表面即散热面的距离的倒数，

是与当前计算网格单元上表面接触的网格单元的下表面散热能力即(i，j，k+1)网格单元下表面沿-Z方向到铸件表面即散热面的距离的倒数，

是与当前计算网格单元右表面接触的网格单元的左表面散热能力即(i，j+1，k)网格单元右表面沿-Y方向到铸件表面即散热面的距离的倒数，

是与当前计算网格单元左表面接触的网格单元的右表面散热能力即(i，j-1，k)网格单元左表面沿+Y方向到铸件表面即散热面的距离的倒数，

是与当前计算网格单元后表面接触的网格单元的前表面散热能力即(i-1，j，k)网格单元前表面沿+X到铸件表面即散热面的距离的倒数，是与当前计算网格单元前表面接触的网格单元的后表面散热能力即(i+1，j，k)与网格单元后表面沿-X到铸件表面即散热面的距离的倒数。

7)比较6)中得到的值的大小，散热能力越大，那么该单元成为热节单元的倾向性越小，反之越大，通过颜色反映在三维网格实体上，如单元网格的散热能力越大，那么该单元成为热节单元的倾向性越小；如单元网格的散热能力越小，那么该单元成为热节单元的倾向性越大；散热能力的大小与颜色深浅成正比例关系，即散热能力越大对应的颜色越深，散热能力越小对应的颜色越浅；颜色最深处为铸件热节位置。

在经过有限差分网格划分的铸件、铸型等实体中，通过遍历的方式计算得到每一个铸件单元网格的六个面上的散热能力。然后，在第二次遍历过程中，通过步骤6)中的公式可计算得到每个单元网格的散热倾向，该散热倾向能够反应铸件中该单元网格位置处的散热倾向，进而根据数值大小通过颜色反应热节所处位置。

图3为优选实施例的铸件三维图，利用本发明的实现方法，可得到如图4(a)所示的图3铸件模型的散热能力结果分布图，因为颜色最深处为热节位置，故本发明预测热节位置如图4(b)所示。

对于图3的铸件模型，如果利用传统传热方程进行预测，在进行有限元网格剖分50万网格之后，需要近1小时的计算时间，预测的热节位置如图4(c)所示；而利用本发明的预测方法，仅仅需要两次遍历网格单元的过程，所以计算时间不足1秒，大大缩短了热节的预测时间，预测的热节位置如图4(b)所示。分别将图4(b)和图4(c)与真实铸件中的热节位置(如图4(d)所示)进行比较可知，在大大缩减了计算所需时间的情况下，利用本发明的方法预测的热节位置同样和真实铸件的热节位置非常接近(由于铸件热节位置通常会导致缩松等缺陷的产生，因而图4(d)中的热节位置实际为该铸件缩松缺陷产生的位置)。

Claims (4)

1.一种快速预测铸件热节的方法，其特征是，该方法的实现步骤如下：

1)利用CAD的三维建模功能，对铸型及铸件进行三维建模；

2)对铸型及铸件模型进行有限差分网格均匀划分；

3)网格划分完成后，读取每一个单元网格的中心坐标值；

4)对全部网格进行第一次遍历，得到每个单元网格各正交方向的自身散热能力；

5)对全部网格进行第二次遍历，得到每个单元网格的散热能力；

6)根据计算出的各个单元网格的散热能力，判断铸造热节位置。

2.如权利要求1所述的一种快速预测铸件热节的方法，其特征是，所述步骤4)中，得到每个单元网格各正交方向的自身散热能力的步骤如下：

A)计算每一个单元网格中心到±X、±Y、±Z方向上铸件散热面的距离d_l，l＝1～6；

B)每一个方向上距离的倒数为该单元网格在该方向上的散热能力P_l，P_l＝1/d_l，l＝1～6。

3.如权利要求1所述的一种快速预测铸件热节的方法，其特征是，所述步骤5)中，得到每个单元网格总的散热能力的步骤如下：

A)计算每个单元网格中心到±X、±Y、±Z方向即到六个面的自身散热能力之和

B)计算所有自身散热能力之和

与各个面的相邻单元对应的散热能力之差，对差取倒数，得到每个单元网格的散热能力：

$P_{i,j,k}=1/\underset{l=1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{i,j,k}^l-P_{i,j,k-1}^l-P_{i,j,k+1}^2-P_{i,j+1,k}^3-P_{i,j-1,k}^4-P_{i-1,j,k}^5-P_{i+1,j,k}^6$

其中，P_i，j，k是当前计算网格单元处的散热能力，

l＝1～6是当前计算网格单元各个正交方向面的散热能力，l＝1为顶面，l＝2为底面，l＝3为左面，l＝4为右面，l＝5为前面，l＝6为后面，

是与当前计算网格单元下表面接触的网格单元的上表面散热能力，是与当前计算网格单元上表面接触的网格单元的下表面散热能力，

是与当前计算网格单元右表面接触的网格单元的左表面散热能力，

是与当前计算网格单元左表面接触的网格单元的右表面散热能力，

是与当前计算网格单元后表面接触的网格单元的前表面散热能力，

是与当前计算网格单元前表面接触的网格单元的后表面散热能力。

4.如权利要求1所述的一种快速预测铸件热节的方法，其特征是，所述步骤6)中，判断铸造热节位置的方法是：

1)如单元网格的散热能力越大，那么该单元成为热节单元的倾向性越小；如单元网格的散热能力越小，那么该单元成为热节单元的倾向性越大；

2)通过颜色反映在三维网格实体上，散热能力的大小与颜色深浅成正比，即散热能力越大对应的颜色越深，散热能力越小对应的颜色越浅；

3)颜色最深处为铸件热节位置。

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