CN1873648B - 用于成型铸造的铸造设计优化系统和优化方法 - Google Patents

用于成型铸造的铸造设计优化系统和优化方法 Download PDF

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Abstract

用于成型铸造的铸造设计优化系统；提供一种铸造设计系统(101)，其包括(a)数据库(115)，其包含铸造设计数据和规则；(b)与所述数据库相通信的用户界面(109)，其接收将由铸造过程铸造的产品设计(103)作为输入；和(c)推理引擎(111)，其适于通过搜索数据库及从那里重现数据根据输入的产品设计(103)而产生铸造设计(114)。

Description

用于成型铸造的铸造设计优化系统和优化方法
技术领域
本发明涉及铸造领域，更具体地，涉及一种用于优化成型铸造设计的系统。 
背景技术
随着计算方法学的发展，尤其是，在过去十年中，微计算机的快速前进，在金属铸造工业中冶金铸造过程的数学建模和数值模拟变得日益流行。这已经带来可被用于预测的软件的开发以及可视化与铸造过程一体化的热传递和液体流动事件。 
然而，尽管这种软件存在，但是对计算结果的解释仍然严重依赖铸造专家的专业经验。即使在使用高级用户界面的铸造期间出现的热传递和液体流动事件的预测结果的彩色显示情况下，不借助人们互动和大量的手工反复试验，几乎不可能系统优化铸造设计。 
因此，目前，生产、铸造和浇口(gating)系统设计仍然基于个人经验和反复试验。前述过程模拟工具在初始产品设计过程中没有被充分利用，而代替的是被更常用于铸造开发的样机和查找翻砂阶段中的缺陷，该阶段位于生产、铸造和浇口系统已经被设计且合金及铸造过程已经被选择之后。而且，在常规铸造设计过程中没有包含计算优化技术。由于个人资料和经验的差异，导致铸造设计过程的长铸造开发周期和低可靠性。 
因此，在现有技术中存在用于克服上述问题的系统和方法学的需要。具体地，在现有技术中存在用于以下系统和方法学的需要，该系统和方法学允许铸造产品设计师和铸造设计工程师优化铸造几何形态和浇口/冒口(riser)系统、以及铸造程序的设计，以确保在最小交付时间(lead time)和成本下高质量铸造。使用这里描述的设备和方法来符合这些和其它需要。 
发明内容
一方面，提供一种铸造设计系统，该铸造设计系统包括(a)数据库，其包含铸造设计数据和规则，(b)与所述数据库相通信的用户界面，其接收将由铸造过程铸造的产品设计作为输入，和(c)推理引擎(inference engine)，其适于通过搜索数据库及从那里重现数据根据输入的产品设计而产生铸造设计。 
在另一方面，提供一种铸造设计优化系统，该铸造设计优化系统包括(a)知识数据库，其包含铸造设计数据和规则，(b)与所述知识数据库相通信的图形用户界面，其接收将由铸造过程铸造的产品设计作为输入，(c)与所述图形用户界面相通信的几何结构分析器，其分析输入的产品设计，进而产生将被铸造的产品的几何结构特征，(d)推理引擎，其适于通过(i)搜索知识数据库、(ii)执行模式匹配操作和(iii)实现逻辑处理而产生铸造设计，(e)过程模拟模块，其对由推理引擎产生的铸造设计进行设计和(f)执行过程模拟，和优化模块，其优化由推理引擎产生的铸造设计。 
在又一方面，提供一种用于优化铸造设计的方法，其包括(a)提供用于优化的建议的铸造设计；(b)提供包含涉及铸造的信息，该数据库包括设计规则、合金性能和涉及已知铸造方法的信息；以及(c)使用包含在数据库中的信息，分析建议的铸造设计的几何结构，从而得出可能的铸造方案。 
在下面更详细地描述本公开的这些和其它方面。 
附图说明
图1是这里公开的铸造设计优化系统(CDOS)的体系结构的示意说明； 
图2是这里公开的图形用户界面的功能的流程说明； 
图3是描绘在3-D成型的GUI内透视图的示意说明，该3-D成型的GUI为这里公开的CDOS系统的立体低倍摄影(STL)文件中输入的； 
图4描绘从图片知识数据库中重新得到的浇口结构的示意说明，该图片知识数据库在这里公开的CDOS GUI内； 
图5是这里公开的CDOS系统中的推理引擎系统的控制结构的说明； 
图6是说明这里公开的CDOS系统中的前向链接系统的执行周期的流程图； 
图7是这里公开的CDOS系统中的推理引擎和知识数据库和GUI之间连接的示意说明； 
图8是描绘在这里公开的CDOS系统中知识数据库中获得的数据例子的屏幕拍摄； 
图9是描绘在这里公开的CDOS系统中的知识数据库编辑器的屏幕拍摄； 
图10-11是这里公开的CDOS系统中的部分结构的示意说明；以及 
图12-13是描绘包含在这里公开的CDOS系统中的各种铸造过程的等级分类的示意说明。 
具体实施方式
在这里提供一种铸造设计优化系统(CDOS)和方法学，它们克服了前述现有技术中的缺点。这些系统和方法学允许铸造产品设计者和铸造过程工程师优化铸造几何学和浇口/冒口系统及铸造程序的设计，以确保在最小交付时间和成本下高质量铸造。因此，通过减少废料和提高生产率及通过改进铸造部件的机械性能和耐用性，实现明显能量和成本节省。这导致在关键结构应用中成型铸造的广泛应用，该成形铸造要求高强度和抗疲劳。 
而且，由于浇口/冒口系统的设计被连同铸造设计的其余部分一起被优化，这里描述的处理带来整体铸造设计的优化。相反，在一些现有设计分析系统中，浇口/冒口系统在铸造设计的其余部分已经被完成后从资料中被选择，这样浇口/冒口系统对于铸造设计的其余部分的影响被忽略。 
图1说明依据这里的技术所实现的CDOS系统的第一、非限制实施例。图1中所述的该CDOS系统101适用于产生最终铸造设计107，该最终铸造设计107具有最大可铸造性、最大生产率和最小的铸造缺陷和成本。通过下面详细描述的优化浇口/冒口/浇道(runner)(这些部件可被集中成为“成套装置(rigging)”)和铸造及过程设计，获得这种效果。 
该CDOS系统101接受初始产品几何结构103作为输入，该几何结构典型地是被铸造的零件的所建议或所估计的几何结构。这种初始产品几何结构可以由各种商业可买到的CAD软件程序产生，该软件程序 包括但不限于 或 CAD软件程序，以及这种初始产品几何结构被输入该CDOS系统101作为电子文件。若有必要，包含初始产品几何结构103的文件格式可被转换为该CDOS系统101可接受的格式。该CDOS系统101还接收铸造设计说明105作为输入信息。铸造设计说明105可包括但不限于诸如产品说明、优先顺序、基于人们专家知识的输入、被制造的零件数量、想要的质量特征、结果零件的机械性能、铸造用容量和将影响所用的铸造方法和设计的选择的信息之类的信息。该信息由GUI 109分类且被传递给推理工程111，在那里它被用作搜索知识数据库的标准。 
如下面所说的，该CDOS系统101对初始产品几何结构103起作用，以产生已经被优化的最终铸造设计107。该CDOS系统101的输出包括最终铸造几何结构，还典型包括相关的浇口/冒口/浇道或成套装置系统的优化选择和设计、以及制造该产品所要求的铸造过程参数。在初始产品几何结构的某些部分没有优化或不可能被铸造的情况中，该CDOS系统101将典型地适用于向用户提示这种信息，以及可进一步适用于发布铸造几何结构缺陷报告，该报告将详述几何结构为什么不能被优化的原因(例如，没有已知的铸造处理适用于产生所提出的几何结构)。该系统还可提供可铸造的方案及建议初始产品几何结构的变化。 
如在图1中所看到的，CDOS系统101包括图形用户界面(GUI)109平台，该图形用户界面(GUI)109平台便于CDOS系统101、用户和该CDOS系统101与之相互作用的任意外部程序之间的相互作用。该GUI 109可选地与外部图形软件108相接口，或其它合适的图形功能可以被建立在GUI 109中。该GUI 109与执行整体搜索、模式匹配和推理处理的推理引擎111相通信，还与几何结构分析模块113相通信，该几何结构分析模块113对被铸造的产品103的几何结构执行分析。 
该GUI 109另外与知识数据库115相通信，该知识数据库包含与铸造过程相关的现有信息且存储铸造设计知识和规则，以及还与过程模拟和优化模块117相通信，该过程模拟和优化模块117对建议的铸造和浇口/冒口几何结构进行设计和实施模制实验。过程模拟和优化模块117可选地与合适的外部过程模拟软件110相接口，以允许它例如在建议的铸造和浇口/冒口几何结构上运行过程模拟，否则，过程模拟 和优化模块117可具有这种嵌入的能力。该过程模拟和优化模块117还与选择的铸造、浇口/冒口设计和合金/过程程序模块114相接口，该模块114选择从知识数据库115中输入的这些参数。 
在优化设计过程中，CDOS系统101的几何结构分析模块113首先该取和分析零件几何结构，以开发关键几何结构特征，包括但不限于诸如最大表面积、体积、模数、最大横截面位置、最小孔直径、尺寸公差、表面光洁度、最小壁厚、最大重量、重心点之类的特征和其他这种特征。这信息然后被传递给推理引擎11。基于零件几何结构的特征和铸造设计说明(诸如，例如性能要求、质量要求、产品质量、产品成本、铸造容量和其它这种技术规范)，然后，推理引擎应用知识数据库115中的设计规则和专家知识，来完成初始铸造和浇口/冒口设计。借助于计算机过程模拟(这种模拟包括，但不限于对模具填充和固化的模拟以及应力分析和优化技术)，该CDOS系统101进一步优化铸造设计。在设计过程中获悉的知识和训练然后被结合进将来使用的更新的知识数据库115。 
在设计已经被优化时，CDOS系统101输出最终铸造设计107。如果设计因其不可铸造而没有被优化，设计被传递至几何结构重新设计模块116。该几何结构重新设计模块116可适用于基于初始零件几何结构和说明提出替换的设计的建议，进而将替换的设计(或对初始零件几何结构的替换)传递至GUI 109，用于过程的进一步重复。如果设计除了可铸造的之外没有被优化，则前提设置可被重新定义，以及重新定义的前提设置112被传递给推理引擎111。 
用于这里描述类型的CDOS系统101的产品的关键开发步骤和在优化铸造设计中的系统使用如下： 
(a)开发基于文本和图形的数据库以用于铸造和浇口系统的设计； 
(b)使用人工神经网络或链式技术，开发推理/搜索引擎； 
(c)开发GUI(图形用户界面)及将它链接至图形包、铸造过程模拟工具和优化软件； 
(d)开发可识别和分析零件几何结构的几何结构分析模块； 
(e)开发通过开发的GUI可设计和执行铸造过程模拟的模拟和优化模块；以及 
(f)使用优化模块优化铸造设计。 
如前面提到的这里描述的CDOS系统101可适于与其它现有图形设计软件连接且接收由其它现有图形设计软件产生的文件和数据。这种数据和文件包括但不限于由 或 
Figure S06192352X20060628D000062
软件程序产生的数据和文件。这里描述的CDOS系统还可适用于利用市售的铸造过程模拟工具，该工具包括但不限于 和 
Figure S06192352X20060628D000064
模拟工具及优化包，以实现最优铸造和浇口设计。 
尽管推理引擎111、知识数据库115、几何结构分析器和模拟/优化模块构成CDOS系统101放入核心，但GUI 109也是重要的部件。GUI不仅提供用户访问各种软件的功能及显示各种信息的平台，还可起到将CDOS系统101与其它过程模拟和优化软件链接的桥梁的作用。为了容易和便于使用和操作，设计该CDOS系统101的GUI 109。 
图2示出GUI 109的基本结构。该GUI 109集合许多部件。它的布局和功能被设计以为平均用户所熟悉及容易使用。在说明的具体结构中，GUI 109装备有窗口模块121、控制模块123、附加特征模块125、商业软件界面(CSI)模块127和功能模块129。 
窗口模块121被分为主窗口131和子窗口133部分。主窗口部分131控制菜单141、工具条143、观察窗145、对话窗147和状态条149的布局和内容。子窗口部分133控制对话提示151、属性页153、导向页155(该页提供关于程序的使用的信息和指令及其特征)以及信息框157的布局和内容。 
控制模块123提供建立在典型的基于窗口环境中的标准控制特征。这些包括控制按钮161、编辑框163、检查框165、滚动条167和标签控制169。 
附加特征模块125包含CDOS系统101所具有的一些特征。这包括文件读取和写入功能171、图形文件读取和分析功能173、铸造设计函数175、数据库链接177和图像处理179。 
CSI接口127提供对其它软件的访问，该其它软件可与CDOS系统101相交互。这种软件可包括但不限于上面提到的 
Figure S06192352X20060628D000065
或 
Figure S06192352X20060628D000066
图形软件包181，还有过程模拟软件183和优化软件185。 
功能模块129提供对诸如软件支持的功能的访问。在所述具体实施例中，将该支持提供作为HTML帮助系统191和内容帮助系统193。 
根据GUI 109中的实施例的代表性的屏幕快照(参见图1)被说明在图3和4中。如图3所示，GUI 109将典型地适用于该取图形文件且实施几何结构分析。在所述具体实施例中，GUI 109被示出从图形文件和相关的一些尺寸信息中产生3维透视图，该尺寸信息为CDOS系统101从文件中得出的。如图4中所示，GUI 109还典型地适用于允许用户浏览代表性的浇口系统中的各种设计，该各种设计被包含在CDOS系统101的数据库中。 
图5说明推理引擎111的控制结构及其与CDOS系统101中的其他部件之间的其工作关系。推理引擎111与知识数据库115和工作存储器201相通信，其后者还与GUI 109相通信。在所述具体实施例中，该推理引擎111被设计以执行正向链接(forward chaining)算法。正向链接算法是数据驱动的，因为它从可利用的信息开始，在该方法中添加新的判定(assertion)，然后尽力从它们中得出结论。这种技术大多数常用于基于规则的系统中。因被包含有许多搜索参数，因此这种搜索匹配方法避免了强力(brute force)或资源密集(resourceintensive)搜索所固有的组合爆炸的出现，因此以更有效的方式起作用。搜索过程自身由规则解释程序所引导。 
推理引擎111的设计被分为三个中心部件：规则集合、包含系统当前状态的工作存储器201和推理部件，该推理部件应用基于工作存储器201的状态的规则。推理引擎111确定如何应用这些规则，还确定它们被施加的顺序。 
使用CLIPS(C语言集成产品系统)专家系统命令解释程序(shell)，开发所述推理引擎的具体实施例。这个软件开发环境包含专家系统的基本部件，以及因此消除了对软件的基本功能编程的乏味且耗时的过程。CLIPS基于流行的RETE算法，该算法提供非常有效基于规则的模式匹配，以及性能增益随大小增加，因为它理论上与系统中规则数无关。CLIPS专家系统命令解释程序的使用是优选的，在于它是不具有任何许可限制的非商售的、公用软件(public domainsoftware)，且比其它替换例更稳定和确定，它是通用的和可移植的，以及可被嵌入有程序代码及调用子程序和集成有其它语言(例如数据库和GUI)。它还支持有利于模块化的面向对象(CLIPS面向对象语言，COOL)和程序编程范例。再者，CLIPS还具有各种扩展(例如， FuzzyCLIPS、AGENTCLIPS、DYNACLIPS和wxCLIPS)，该扩展优点在于支持模糊逻辑和工具。 
在图6的流程图中说明推理引擎111的逻辑流程。输入包括由几何结构分析模块113(参见图1)产生的模型数据和由GUI 109基于输入的铸造设计说明105(参见图1)产生的前提设置223。推理引擎111的执行周期围绕逻辑“循环当语句”循环被建立，该循环对推理引擎111的工作存储器225的当前状态操作，以确定布尔(Boolean)变量“要求符合”227是否是假的，以及重复自身直至该变量的值是真的。在“要求符合”227变量是真的时，循环终止229，进而最终铸造几何结构107(参见图2)被设置，或者如果没有合适的铸造几何结构被开发，则用户被提示这个情况。 
“要求符合”227变量的值通过基于规则的算法被确定，并且在工作存储器225的当前状态是这样的即没有规则施加或某些说明的目标被满足是，该“要求符合”227变量的值为真。为了处理在多于一个规则基于插入的事实被匹配时的冲突，规则排序方法(其可以是例如“先进先用(first in，first serve)”或“后进先用(last in，firstserve)”)可被建立作为冲突解决策略。该规则排序方法可随时间被开发。例如，当开发进一步进行且知识数据库变得更完善时，注意力可转移至优先化和专一化方法。规则的显著性或相关于该情形的其相对重要性将典型地被确定并且被在数值上赋值。 
由于推理引擎111的设计是基于规则设置的，则规则模板可被建立。宣布规则可以形式：LHS(条件)＝＞RHS(动作)。LHS(左手侧)是条件集合，该条件必须匹配工作存储器中的将被执行的规则，以及可被表述为形式(参数名n1[值]……n)。如果LHS的模式是匹配的，然后采取对RHS(右手侧)的动作。动作包括从工作存储器添加和删除项目，还有执行其他必须的操作。面向对象编程(COOL)还可包括使对象继承和分类，以及收集的设计原理和知识可以以这些模板的形式被表述。 
再次参考图6，如果布尔变量“要求符合”227的值为假，然后确定布尔变量“规则条件保持”231的值。如果布尔变量“规则条件保持”231的值为假，然后工作存储器225的当前状态被更新以反应该事实，以及重复该循环。如果布尔变量“规则条件保持”231的值为真，则进 一步的处理开始，以及该规则被放置在操作规程列表223中。 
然后确定布尔变量“操作规程列表中存在多于一个规则”的值235。如果布尔变量“操作规程列表中存在多于一个规则”的值235为假，则执行该规则的RHS 239。如果布尔变量“操作规程列表中存在多于一个规则”的值235为真，则使用冲突解决策略以优先化该规则，此后执行该规则的RHS 239。在另一情况中，规则的RHS的执行将改变工作存储器的当前状态241。在重复该循环时，工作存储器225的当前状态将被重新检查，以及考虑到已经被添加的新的信息，该过程将典型地能够进一步进行。 
图7说明推理引擎111、知识数据库115和GUI 109之间的相互作用。如这里所看到的，推理引擎111包含解释子系统255和前提设置223。该前提设置223可部分基于情况具体数据251被形成，该情况具体数据251对于被铸造的具体产品是惟一的。该情况具体数据251自身被部分或整体基于由几何结构分析模块113产生的模型数据221而形成(参见图1)。推理引擎111与知识数据库115和GUI 109合作。使用GUI 109，知识数据库115中的数据可通过知识数据库编辑器253被改变。使用GUI 109，推理引擎111与用户257相交互。 
推理规则被典型地编程进入推理引擎111，而知识被典型地单独存储在知识数据库115中。由于这提供一种更系统的且用户友好的方式以保持、改变和添加新规则，同样该规则优先被单独存储在数据库中。然而，推理引擎111典型地需要外部连接访问规则和资料。推理引擎被优选设计，使用通常取代规则模板的SQL模板以从该数据库中获得必要的规则。基于实际编程平台和规则的复杂性确定与该数据库的连接。推理引擎111的设计优选基于规则驻留在系统本身内的假定。 
用于解释子系统255，结论解释可被确定为强调推理过程的步骤链的明确踪迹。解释子系统255将结论的路径以复杂文本数据格式保存在单个存储器中，该结论路径使用推理引擎111来实现。这些详细的基于踪迹的解释对于系统调试是有用的，尽管它们对特定用户没有提供充分的信息。因此，通过该用户界面，可以开发更加结构化的解释工具以更全面或有用的方式操纵和提供该踪迹。这包括选择的、可扩展的、演绎的和假想的操作。 
知识数据库115被优选分为两部分，也就是知识部分和推理规则 部分。知识部分包括材料性能、设计原理和方法、经验资料、浇口和冒口部件/几何结构等等。因此，在具体表和领域中设置数据。说明关系/协作而用于内相关领域。推理规则部分包括用于推理过程的规则和模板。该模板确定从资料部分选择数据的访问/重现。 
在上述实施例中的控制编程中利用的软件程序是微软 其基于快速样机研究(prototyp ing)的使用方便被选择。数据库的资料部分被开发为GUI 109，以浏览、访问和更变数据。GUI 109的屏幕快照的例子被示出在图8和9中。 
与推理引擎111同时一起执行分类数据和确定关系。数据被有系统地组织和声明相互关系。在收集的数据中声明的内部关系对于规则和规则模板的形成是关键的。规则和规则模板被存储在知识数据库115的单独部分。为了图形化存储3D部件，制造特定表格存储控制它们形状和几何结构的参数。 
迄今，为了有利于铸造设计确定-制造过程所要求的几个重要因素被识别。充分铸造设计包括可铸造部件、浇口/冒口系统和铸造过程参数的设计。图10-11说明CDOS的逻辑结构，以及示出这些多种因素如何被考虑。 
在设计铸造过程之前，几个因素通常是已知的，诸如要求的性能和质量参数303、以电子图形格式(三雏CAD文件)的初始零件几何结构305、铸造的产品数量和成本307及铸造容量(foundrycapability)309。被输入作为初始零件几何结构305的图形文件典型地包含初始零件设计，该初始零件设计将通过CDOS处理的末端被用于产生最终铸造和浇口/冒口设计及过程参数399。初始零件几何结构305和工作铸造设计包含体积和模数信息315、最小孔尺寸317、尺寸公差319、关键位置321和最小/最大壁厚323。 
基于前面的信息，合金选择325和铸造过程选择327可被实现。合金选择325将典型地基于合金属性，诸如合金的热属性331、合金的机械属性333、合金的铸造属性335和合金的成本339。铸造过程选择327考虑铸造过程的容量339。 
一旦作出合金选择325和铸造过程选择327，就确定了铸造过程的各种其他方面。这些可包括收缩率341、任意盲孔351的数量和位置、锥度及通风(draft)343、加工原料355、模型或模具中的铸造布局 345、分型线355的数量和位置、模型/核心设计347和其他铸造参数357。具有这种信息，铸造重量363和钢模/铸模填充时间和速率365被设置。 
在前述参数已经被确定之后，浇口设计367和冒口设计369被确定。浇口设计367包括浇口384、注口和井385、浇道386及内浇口387的位置和类型383。这些特征的每个具有与他相关的大小、形状、位置和数量变量388，考虑到浇口率389、节流位置390、节流面积391、节流速度392、热撕裂趋势393和生产要求394确定这些变量。根据合金铸造过程选择确定浇口率389。 
冒口设计369包括冒口的位置和类型373，冒口具有与其相关的大小、形状、位置和数量变量375。考虑诸如进料路径376、进料距离377、铸造成型378、孔隙度379、热撕裂趋势380和生产要求381之类的因素确定这些变量中的每个。 
此后，铸造/浇口/冒口设计被施加以模拟和优化395，以及关于结果设计是否是最优的确定被作出397。在铸造/浇口/冒口设计被确定为最优的情况下，CDOS系统输出该设计和相关的过程参数399。如果铸造/浇口/冒口设计被确定为不是最优的，则关于设计是否是可铸造的确定被作出359。在这样的情况下，浇口/冒口设计标准被重新定义361，导致新的浇口和/或冒口设计，以及新的设计被施加以进一步模拟和优化395。如果铸造/浇口/冒口设计是不可铸造的，关于初始零件设计应当被改变的确定被作出。在这样的情况下，初始零件几何结构被重新设计311，以及在重新设计的几何结构上重复CDOS过程。如果确定了初始零件设计不应当被改变，则合金选择325和/或铸造过程选择327中的至少一个被改变，以及CDOS过程被重复利用相同的初始零件设计。 
图12-13说明利用在这里描述的CDOS系统中的各种铸造过程401的等级分类。有许多本领域已知的铸造过程，包括例如沙型铸造(473-479)、熔模(或蜡)铸造443、金属型铸造(gravity die casting)413、压力模铸造411、离心铸造427、丢失形状铸造445、真空铸造417和模压铸造435。各个铸造过程通过表1中所示的不同性能表征。因此，各种铸造过程与可被生产的几何结构特征的不同范围(包括最小部分厚度和最小芯厚度)、不同的可获取的质量水平(包括表面光 滑度、尺寸公差和内部坚固性)以及不同生产参数(包括样本交付时间和经济批量)相关联。 
表1：主要铸造过程的典型性能 
  铸造过程属性   沙型  熔模  金属型   压力模
  最大重量   ＜100吨  ＜40kg  ＜200kg   ＜10kg
  最大尺寸   ＜20m  ＜0.5m  ＜0.8m   ＜0.5m
  最小厚度   ＞5mm  ＞1mm  ＞4mm   ＞1.5mm
  最小孔尺寸   ＞8mm  ＞4mm  ＞6mm   ＞2mm
  尺寸公差   ＞0.6mm  ＞0.1mm  ＞0.4mm   ＞0.05mm
  表面粗糙度   ＞12μm  ＞4μm  ＞6μm   ＞2μm
  经济数量   任何数字  ＞100  ＞1000   ＞10000
  样机交付时间   ＞4星期  ＞8星期  ＞8星期   ＞12星期
为了选择切实可行的铸造过程，零件要求和属性(壁厚、表面光洁度、定货量等等)必须与过程对应的性能相比较。满足零件的所有要求的过程被认为是切实可行的过程。 
各种铸造过程401可被分为消耗铸模过程403、永久铸模过程405和专用过程407。专用过程407包括模压铸造435、冷淬铸造437、连续铸造439和半固体铸造434。 
永久铸模过程405包括低压力过程409、高压力过程411、金属型过程413、离心过程415和真空过程417。高压过程包括热室419和冷室421过程。金属型过程包括永久核芯431和软泥铸造433过程。离心过程415包括真实离心过程423、半离心过程425和离心过程427。 
消耗铸模过程403可被进一步分隔为永久模式过程447和消耗模式过程441。消耗模式过程441包括熔模(蜡)铸造443和完整铸模(丢失形状)铸造445。 
永久模式过程447包括水和粘土粘结449、树脂粘结451、塑料粘结453、硅酸盐粘结455及无粘结457过程。无粘结457过程包括真空“V”过程465。硅酸盐粘结过程455包括CO2过程467、陶瓷成型过程469和Shaw(肖氏)过程471。树脂粘接过程451包括壳型铸模459、热箱461和冷箱463过程471。水和粘土粘结过程449包括绿砂模制473、表皮干燥沙模制475、干燥沙模制477、核芯沙模制479、底板和凹坑模制481、粘土模制483和高压模制485。 
参考在将被铸造的零件中使用的浇口系统类型，可以说明进入选择铸造过程的考虑。依据分离面的方位，浇口系统可被分为水平或垂直浇口系统。水平浇口系统是那些其中分离面是水平的且包含浇道和内浇口的系统，并且在其中注口是垂直的且垂直于分离面。包含水平浇口系统的连接适用于在重力下填充的扁平铸造，诸如绿砂铸造473和金属型铸造413。垂直浇口系统是那些其中分离面是垂直的且包含浇道和内浇口的系统。用于重力填充过程(沙型铸模473-479、壳型铸模459和金属型铸造413)，注口是垂直的，也就是沿分离面。这种过程适于大宗铸造。用于压模铸造411，注口可是水平的，也就是，垂直于分离面。 
取决于内浇口的位置，浇口系统可被分类为顶部、分离和底部。在其中热熔融金属进入铸造的顶部的顶浇口系统，促进从铸造底部至顶部的定向固化。然而，顶浇口系统仅仅适用于扁平铸造，以在初始填充期间限制自由下落的熔融金属对金属和模具的损伤。底浇口系统具有相对的特征：金属进入铸造的底部，进而以最小分散逐渐地填充模具。推荐用于大宗铸造，其中(从顶部或分离浇口)熔融金属的自由下落必须被避免。中间或侧面或分离浇口系统组合顶和底浇口系统的特点。如果浇口通道位于分离面，则它们是容易生产和改变的，假如在实验运行中有必要的话。大多数广泛使用的系统是在分离面具有内浇口的水平浇口系统。在垂直浇口系统，内浇口可被定位在模具的顶部、顶部和侧面。 
在这里描述的设计优化过程中，推理引擎首先从已知的数据库中定义选择的铸造和浇口/冒口设计的窗口(域)，用于优化。借助于计算机过程成型(包括模具填充、固化、压力分析等)优化技术，该系统进一步优化铸造和浇口设计。用于设计优化的目标功能的例子包括最优化铸造缺陷(例如，体积％孔隙和氧化物)、最小化成本、最大化生产和最大化生产率： 
Obj1＝w1*最小体积％孔隙+w2*最小氧化物w3*最小成本 
Obj2＝w4*最大产量+w5*最大生产率 
Obj＝w6*Obj1+w7*1/Obj2 
下面约束是在设计优化过程中考虑的约束例子： 
产量＞y0
体积％孔隙＜v0
循环时间＜＝t0
现有铸造设备约束 
这里公开的CDOS系统和相关的方法参考在金属铸造过程中的它们应用已经被描述，并且具体适用于铝合金铸造过程。然而，将被理解的是该系统和方法不限于金属铸造，而可以应用在其中出现类似考虑事项的其它应用中。例如，使用适当的改变，这里描述的该系统和方法可被应用于从聚合材料包括但不限于热塑料来铸造和模制颗粒。 
铸造设计优化系统(CDOS)和方法已经在这里提供，该铸造设计优化系统(CDOS)和方法允许铸造设计师和铸造过程工程师优化铸造几何结构和浇口/冒口系统的设计，还有铸造程序和参数，以最小交付时间和成本确保高质量的铸造。这些系统和方法减少废料、增加生产，以及改善铸造部件的机械性能和耐用性，从而引起明显的能量及成本节省和增加的形状铸造在关键结构应用中的使用，该形状铸造在关键结构应用要求高强度和抗疲劳。此外，由于这些系统和方法允许连同铸造设计的剩余物一起将浇口/冒口系统设计优化，因此这里描述的过程带来整体铸造设计的优化。 
本发明的上面说明是说明性的，而不是用于限制。因此将会理解，不脱离本发明的范围，针对上述实施例可以作出多种添加、代替和改变。因此，本发明的范围应当参考附加的权利要求书被解释。 

Claims (24)

1.一种铸造设计系统(101)，包括：
数据库(115)，其包含铸造设计数据和规则；
与所述数据库(115)相通信的用户界面(109)，其接收将由铸造过程铸造的产品设计(103)作为输入；
与所述用户界面(109)相通信的几何结构分析模块(113)，其分析输入的产品设计(103)并产生将被铸造的产品的几何结构特征；以及
推理引擎(111)，所述推理引擎(111)应用数据库(115)中的所述铸造设计数据和规则基于所述产品的几何结构特征和输入的产品设计(103)来产生铸造设计(114)。
2.权利要求1中的系统，进一步包括：
过程模拟和优化模块(117)，通过与之接口的过程模拟软件(110)来对由推理引擎(111)产生的铸造设计(114)执行过程模拟。
3.权利要求2中的系统，其中过程模拟和优化模块(117)优化由推理引擎(111)产生的铸造设计(114)。
4.权利要求3中的系统，其中过程模拟和优化模块(117)通过分析由过程模拟软件(110)对铸造设计产生的数据来优化铸造设计，以及如果对铸造设计产生的数据指示该铸造设计不是优化的，则执行以下步骤：
改变铸造设计；以及
将改变的铸造设计输入过程模拟软件(110)。
5.权利要求1中的系统，其中产品是由金属铸造的。
6.权利要求5中的系统，其中从包括铝及其合金的组中选择金属。
7.权利要求1中的系统，其中用户界面进一步包括接收铸造设计说明(105)作为输入。
8.权利要求1中的系统，其中推理引擎(111)与所述数据库(115)、所述几何结构分析模块(113)和所述用户界面(109)通信。
9.权利要求2中的系统，其中所述过程模拟软件(110)与所述推理引擎(111)和所述用户界面(109)通信。
10.权利要求1中的系统，其中铸造设计数据和规则包含与铸造过程有关的数据和规则。
11.权利要求1中的系统，其中铸造设计数据和规则包括与浇口和冒口有关的数据和规则。
12.权利要求1中的系统，其中铸造设计数据和规则包括与金属合金有关的数据和规则。
13.权利要求3中的系统，其中过程模拟和优化模块(117)基于模拟结果优化铸造设计。
14.权利要求3中的系统，其中过程模拟和优化模块(117)基于目标功能和铸造设计限制条件优化铸造设计。
15.权利要求1中的系统，其中所述推理引擎(111)通过实现逻辑处理来进一步适用于产生铸造设计。
16.权利要求1中的系统，其中所述推理引擎(111)通过执行在包含在数据库(115)中的数据和搜索参数之间的模式匹配操作来进一步适用于产生铸造设计。
17.权利要求1中的系统，其中铸造设计包含铸造程序。
18.权利要求1中的系统，其中铸造设计包含浇口和冒口设计。
19.权利要求1中的系统，其中铸造设计包含合金选择。
20.权利要求1中的系统，其中铸造设计包含铸造过程选择。
21.一种铸造设计优化系统，包括：
知识数据库(115)，其包含铸造设计数据和规则；
与所述知识数据库(115)相通信的图形用户界面(109)，其接收将由铸造过程铸造的产品设计(103)作为输入；
与所述图形用户界面(109)相通信的几何结构分析模块(113)，其分析输入的产品设计(103)并产生将被铸造的产品的几何结构特征；
推理引擎(111)，所述推理引擎(111)应用数据库(115)中的所述铸造设计数据和规则基于所述产品的几何结构特征和输入的产品设计(103)来产生铸造设计(114)；以及
过程模拟和优化模块(117)，通过与之接口的过程模拟软件(110)来对由推理引擎(111)产生的铸造设计进行设计和运行过程模拟；
其中过程模拟和优化模块(117)优化由推理引擎(111)产生的铸造设计。
22.一种用于优化铸造设计的方法，包括：
提供建议的铸造设计(103)以供优化；
提供包含涉及铸造的信息的数据库(115)，该涉及铸造的信息包括设计规则、合金性能和涉及已知铸造方法的信息；以及
使用所述包含在数据库(115)中涉及铸造的信息来分析建议的铸造设计(103)的几何结构(113)，从而得出包含铸造程序和合金选择的可能铸造设计；以及
优化(117)所述建议的铸造设计，
其中如果建议的铸造设计不是优化的但建议的铸造设计几何结构是可铸造的，则从包含浇口设计、冒口设计、合金选择和铸造过程的组中选择的至少一个元素被重新限定用于进一步的过程模拟和优化。
23.权利要求22中的方法，其中数据库(115)包含其它铸造设计。
24.权利要求22中的方法，其中铸造设计包含浇口和冒口设计。
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