0引百壓鑄生產(chǎn)中，由于壓鑄件凝固冷卻速度不同而引起的熱應(yīng)力是壓鑄件產(chǎn)生熱裂、變形、殘余應(yīng)力和殘余變形等鑄造缺陷的主要原因。而壓鑄件鑄造過程應(yīng)力集中區(qū)域的快速預(yù)測(cè)研究，能夠在壓鑄件的設(shè)計(jì)階段就預(yù)測(cè)出因壓鑄件結(jié)構(gòu)因素而導(dǎo)致的鑄造缺陷及危險(xiǎn)部位，為優(yōu)化壓鑄件設(shè)計(jì)、改進(jìn)壓鑄工藝、減少應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致的鑄件缺陷、提高壓鑄件尺寸精度和使用壽命提供依據(jù)和。目前，國(guó)內(nèi)外在鑄造熱應(yīng)力、熱裂傾向及鑄造殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)方面取得了一些成果。這方面的研究還主要集中于采用FDM與FEM聯(lián)合分析的方法進(jìn)行鑄造過程三維溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬分析11~31，這一方法受到有限元軟件前處理能力的限制。本文研究的鋁合金電表機(jī)架壓鑄件，其尺寸精度在電表的全壽命周期內(nèi)都有著極其嚴(yán)格的要求，因此對(duì)于鑄造應(yīng)力導(dǎo)致的變形和殘余變形有著特殊的敏感性。
收穡日期：004-05基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（69873038）國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（69425005）；浙江省自然科學(xué)基金資這需要在設(shè)計(jì)階段就對(duì)壓鑄件的鑄造應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，以便為設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)壓鑄件及制定壓鑄工藝方案時(shí)提供預(yù)先優(yōu)化的依據(jù)。因此，本文提出了一種復(fù)雜壓鑄件鑄造過程應(yīng)力集中區(qū)域的快速經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法。
1結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格自適應(yīng)生成方法1.1混合層厚模型的建立目前在鑄件溫度場(chǎng)有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算中主要采用規(guī)整網(wǎng)格，它有以下不足之處：對(duì)于形狀較為復(fù)雜的構(gòu)件，為了保證不失細(xì)節(jié)性的特征，而不得不在整個(gè)機(jī)件范圍內(nèi)都采用復(fù)雜區(qū)域的特征長(zhǎng)度作為網(wǎng)格步長(zhǎng)，致使剖分單元數(shù)目巨大，勢(shì)必導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)冗余，因此采用規(guī)整網(wǎng)格難以處理形狀復(fù)雜的鑄件。針對(duì)規(guī)整網(wǎng)格技術(shù)的不足采用了變網(wǎng)格技術(shù)對(duì)鑄件凝固溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，該方法將溫度梯度較小區(qū)域與溫度梯度較大區(qū)域的網(wǎng)格處理成不同尺寸，但由于存在著一個(gè)粗網(wǎng)格與多個(gè)細(xì)網(wǎng)格相交的情況，因此其難點(diǎn)之處在于如何處理粗細(xì)網(wǎng)格交界處的過渡。針對(duì)這種情況，本文提出了自適應(yīng)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，構(gòu)造了自適應(yīng)變層厚的矩形網(wǎng)格，保證了網(wǎng)格的一一對(duì)應(yīng)。
2.3應(yīng)力集中區(qū)域預(yù)測(cè)算法通過算法控制，自適應(yīng)地生成一系列不等距的切片族來切割實(shí)體：在形體復(fù)雜度較小的區(qū)域采用較大的切割間距（層厚）而在形狀變化劇烈的區(qū)域則采用增加切面的方法增加剖切密度，從而得到一組封閉切線輪廓，進(jìn)而對(duì)平面封閉輪廓內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行二維網(wǎng)格剖分。通過建立混合層厚模型自適應(yīng)地得到了一個(gè)三維空間中的結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格集實(shí)現(xiàn)高效、精確地逼近壓鑄件的實(shí)體真實(shí)形狀。
1.2三維結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格生成算法切平面Zi與STL文件模型各個(gè)數(shù)據(jù)段的小三角面交線集構(gòu)成了該面上的輪廓線C（Z，）只有一個(gè)點(diǎn)或僅有邊界而無內(nèi)部區(qū)域的輪廓稱為蛻化的輪廓。小三角形用雙參數(shù)方程表示為三角形的三個(gè)頂點(diǎn)的位置矢量，U均為參變量三維結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格生成算法如下：對(duì)當(dāng)前切平面Z，當(dāng)小三角面片鏈表不為空，而且若前切面與小三角形有交，則計(jì)算當(dāng)前交線的端點(diǎn)參數(shù)to、ti、u、ui，并輸出交線集。
計(jì)算當(dāng)前切平面與實(shí)體表面模型的交線集進(jìn)行交線集歸并，生成交線輪廓集。
對(duì)于生成的輪廓集用射線法判定其內(nèi)外區(qū)域。在輪廓集包圍區(qū)域內(nèi)部，進(jìn)行二維正交均勻網(wǎng)格劃分。
在二維正交均勻平面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，用當(dāng)前切層厚度作為第三維上的網(wǎng)格高度，生成當(dāng)前層上的矩形網(wǎng)格。
對(duì)下一個(gè)切平面繼續(xù)執(zhí)行（1）。
通過采用剖切平面族對(duì)幾何實(shí)體的空間體信息進(jìn)行提取，most終建立起離散化的復(fù)雜、多孔洞壓鑄件的體幾何模型。在采用多維數(shù)組儲(chǔ)存離散化的壓鑄件體信息時(shí)，采用其中的一維數(shù)組儲(chǔ)存節(jié)點(diǎn)的體表屬性。將屬于復(fù)雜壓鑄件體表與體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)賦予不同的屬性值，以便于在基于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的壓鑄件結(jié)構(gòu)分析中采用掃描線法來提取復(fù)雜多空洞壓鑄件的體信息。
電表機(jī)架壓鑄件剖分后得到的結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格集見。
2基于壓鑄件溫度場(chǎng)及結(jié)構(gòu)分析的鑄造應(yīng)力集中區(qū)域預(yù)測(cè)在壓鑄件產(chǎn)品開發(fā)中，經(jīng)常由于壓鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的原因而導(dǎo)致出現(xiàn)熱裂或在某些部位存在較大的殘余應(yīng)力和殘余變形。這種鑄造缺陷嚴(yán)重電表機(jī)架壓鑄件剖分后得到的結(jié)構(gòu)化矩形網(wǎng)格集影響了壓鑄件的成品質(zhì)量和使用壽命。本研究的對(duì)象是作為計(jì)量器具的機(jī)械電表機(jī)架的壓鑄件，在機(jī)械電表中電壓器件與電流器件之間的間隙要求在±005mm之內(nèi)，在電表的全壽命使用周期內(nèi)機(jī)架壓鑄件任何微小殘余變形都將使電表產(chǎn)生計(jì)量精度誤差變化。因此在電表機(jī)架壓鑄件的設(shè)計(jì)階段就需要對(duì)機(jī)架的造型文件預(yù)先進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域預(yù)測(cè)，找出上面由于壓鑄件結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致的熱裂及變形危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)壓鑄件結(jié)構(gòu)以及確定壓鑄工藝方案時(shí)提供了預(yù)先優(yōu)化的依據(jù)。
2.1壓鑄件鑄造應(yīng)力集中區(qū)域形成機(jī)理鑄件凝固過程中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，是由于鑄件各部分之間的凝固速度不同使得金屬變形受阻所產(chǎn)生的。而壓鑄件更容易產(chǎn)生裂紋和變形缺陷，這是由于金屬型本身沒有退讓性，壓鑄件在金屬型中冷卻過快，這種鑄模內(nèi)壓鑄件的冷卻不均勻，造成了熱應(yīng)力和變形，結(jié)果導(dǎo)致壓鑄件成品上產(chǎn)生熱裂和較大的殘余應(yīng)力和殘余變形。x-Voldata|m. =05線的第一個(gè)搜索步長(zhǎng)處的點(diǎn)與實(shí)體體內(nèi)點(diǎn)相交。
此后分別用第二個(gè)、第三個(gè)及更多個(gè)搜索步長(zhǎng)處的點(diǎn)與實(shí)體體內(nèi)及體表點(diǎn)的集合求交。
=05）//此時(shí)第一條掃描線的第m個(gè)搜索步長(zhǎng)處的點(diǎn)與實(shí)體體表點(diǎn)相交，表示此時(shí)掃描線已穿出實(shí)體。
描線的Ad值等于m加1個(gè)搜索步長(zhǎng)。
同理可求得其余19條掃描線的Ad值。
在計(jì)算中需要分別面對(duì)以下5種情況：①掃描線先進(jìn)入實(shí)體內(nèi)部后，再從實(shí)體的另一表面穿出，如上面的程序所示；②掃描線先沿實(shí)體表面行進(jìn)一段距離后，再進(jìn)入實(shí)體內(nèi)部后從實(shí)體的另一表面穿出；③掃描線先沿實(shí)體外的空間行進(jìn)一段距離后，再進(jìn)入實(shí)體內(nèi)部后從實(shí)體的另一表面穿出。④掃描線先沿實(shí)體外的空間行進(jìn)一段距離后，再離開實(shí)體；⑤掃描線不與實(shí)體相交，直接向外發(fā)散。
在檢測(cè)運(yùn)算中，只有情況①才具有檢測(cè)的實(shí)際意義。對(duì)于其他情況，其掃描線的Ad為零，不予考慮。
求得某一表面節(jié)點(diǎn)的各條掃描線的Ad值后，就可以通過比較各條掃描線的Ad值的大小來確定該表面節(jié)點(diǎn)的區(qū)域歸屬。
=1；//此時(shí)該表面節(jié)點(diǎn)的所有掃描線的Ad值均小于等于一給定值a則該節(jié)點(diǎn)屬于薄壁區(qū)。
=//此時(shí)該表面節(jié)點(diǎn)的所有掃描線的Ad值均大于給定值a則該節(jié)點(diǎn)屬于厚壁區(qū)。
=3；//此時(shí)該表面節(jié)點(diǎn)的掃描線的Ad有大有小，則該節(jié)點(diǎn)屬于幾何形狀劇烈變化區(qū)。
判斷出屬于薄壁與厚壁相鄰的幾何形狀劇烈變化區(qū)的表面節(jié)點(diǎn)后，系統(tǒng)對(duì)這些檢測(cè)出的應(yīng)力集中區(qū)域的表面節(jié)點(diǎn)加以標(biāo)記，以便在可視化顯示時(shí)用顏色加以警示。
3應(yīng)用應(yīng)用本文提出的預(yù)測(cè)方法，開發(fā)了用于復(fù)雜薄壁壓鑄件的凝固過程計(jì)算機(jī)模擬及可視化系統(tǒng)。這使得壓鑄件設(shè)計(jì)開發(fā)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能夠了解壓鑄件凝固過程中的溫度場(chǎng)變化及可能出現(xiàn)的熱裂、殘余應(yīng)力和殘余變形缺陷，并以此為依據(jù)來指導(dǎo)優(yōu)化壓鑄件的設(shè)計(jì)以及壓鑄工藝的制定。通過本軟件在電表機(jī)架壓鑄件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，減少了以前在壓鑄產(chǎn)品開發(fā)中所必須的產(chǎn)品中間試驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率，降低了成本。通過應(yīng)用該軟件使得壓鑄件的次品率有了明顯的下降。
