叉车桥壳铸造数值模拟及工艺分析.pdfVIP

1.轮边减速器 2. 支承轴 3. 制动器 4. 制动器连板 图 1-1 早期桥壳 Fig.1.1 Former Axle Housing 1.2.2 本研究对象的结构分析 本叉车使用的桥壳是整体式的桥壳，整体式桥壳的特点是整个桥壳是一根 空心梁，桥壳和主减速器壳为两体。它具有强度和刚度较大，主减速器拆装、 调整方便等优点。 1.3 铸造 CAE 模拟技术的基础、应用和发展趋势 1.3.1 铸造 CAE 模拟技术的基础 铸造 CAE 技术是采用有限分析技术（有限差分法、有限元法等）进行铸造 充型过程、凝固过程的模拟，在电脑中“试生产”铸件，为制定合理的铸造工 艺提供有力的指导。铸造 CAE 技术涉及铸造成形理论与实践、计算机图形学、 多媒体技术、可视化技术、三维造型、传热学、流体力学、弹性塑性力学等多 种学科，是典型的多学科交叉的前沿领域，其主要研究内容有：充型过程流动 场模拟、凝固过程温度场模拟、应力应变分析、微观组织模拟等。 铸造 CAE 常用的方法包括有限差分法 FDM 、有限元法 FEM 、直接差分法 DFDM 和边界元法 BEM 。 （1）有限差分法（FDM ） 密执安大学的 Pehlke 教授为首的研究小组从 1968 年开始相继以显示有限差分、交替隐式和 Saul’yev 有限差分格式建立了数 值计算模型，对 T 形、L 形铸钢件进行计算，给出了温度场、等温线和等时线 分布图。因此，有限差分法成了最早使用的方法，也是在诸多商品化软件中应 用最广的。它又包括显式有限差分法、隐式有限差分法、交替隐式有限差分法 和 Saul’yev 有限差分法、控制体积法等。有限差分法其实质就是将求解区域划 分为有限个网格单元，将微分问题化为差分问题，离散化得到差分格式，利用 差分格式来求解相应问题。用有限差分来求解铸造充型凝固过程中的不同物理 场，如流动场、温度场等，可按如下的步骤进行：将铸造充型凝固过程所涉及 的区域在空间和时间上进行离散化处理；设定物性参数、初始条件和边界条件； 2 推导出单元差分格式；求解过程计算机编程实现，由计算机算出结果，得到充 型凝固过程各物理场相关结果。 （2 ）有限元法（FEM ）有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起 来的一种现代计算机法。现在已经广泛应用于求解连续体力学、热传导、电磁 场、流体力学等领域。有限差分法的缺点是网格形状固定，在曲面离散时会有 阶梯现象，有限单元法则克服了这一缺点，单元划分更灵活，对曲面可以实现 很好的拟合，但其离散算法复杂，对硬件要求高。有限元法又可分为位移法、 利用余位进行变化的方法和用混合法三种 。位移法其实质就是将求解区域划分 为有限个单元，通过构造插值函数，把问题变为一个变分问题，经过离散化得 到计算格式，利用计算格式来求解相应问题。变分法证明求解某些微分方程的 问题等效于将泛函数的相关量进行最小化。如果相关于应变量的节点值使泛函 数最小，那么所得到的条件表达式就是所需要的离散化方程，也就是说，求解 一个微分方程边值问题就可以通过寻找某一变分问题的极值函数来解决。 （3 ）直接差分法（DFDM ）直接差分法是将欲求解的系统分割为许多微小 单元，各单元的物理现象不是通过微分方程式表示，而是直接表示为计算机可 以进行计算的差分方程式，之后求解差分方程式，得出数值解。 （4 ）边界元法（BEM ） 用边界元法处理恒定问题时只须对边界进行分割 即可，非常方便，即使对于非稳定问题，也具有受分割单元的形状和大小限制 小的优点，但是采用边界元法，其计算公式的推导和程序实现和复杂，而且必 须解联立方程式，目前它的应用很少[2] 。 1.3.2 铸造计算机模拟的应用过程与发展趋势 1.3.2.1 铸造 CAE 技术的具体应用过程[3] ： 图 1-2 铸造 CAE 技术的具体应用过程