[发明专利]一种铸件充型过程模拟方法

权利要求书

1.一种铸件充型过程模拟方法，其特征在于：由计算、前处理、后处理三个模块组成，所述计算模块的主要任务是完成对铸件充型过程中带有自由表面的Navier-Stokes方程及散热方程的求解，对该方程的求解借鉴了Los Alamos实验室的报告中二维SOLA-VOF算法，将其推广到了三维，求出流体场之后，求解散热方程；所述前处理模块准确地构造铸件的三维几何模型，并进行网格剖分；所述后处理模块的功能是把由数值计算或试验获得的大量数据转换为人的视觉可以感受的图像，把大量的抽象数据有机地组合在一起，展示数据所表现的内容及之间的相互关系，展示场的分布；总流程为：首先选择任务类型，选计算任务类型时，先初始化自主开发的温度场计算类，如果是第一次开始，则输入剖分文件、铸造充型过程的控制及物理参数，进行计算后回主菜单；否则输入上次计算结果，再计算，计算后回主菜单；选前处理任务类型时，判断何种类型几何文件，经判断，分别对铸件的构造三维实体几何模型的文件或有限元网格文件读取数据，进行剖分，保存剖分结果，然后回主菜单；选后处理任务类型时，则分别显示温度场、速度场、压力，回主菜单。

2.按照权利要求1所述铸件充型过程模拟方法，其特征在于：所述计算模块中计算部分是用SOLA求解铸件充型过程压力场和速度场，用VOF确定流动域和自由表面；采用施体-受体方法计算铸造充型过程自由表面的扩展；具体流程为：先输入控制、物理性质参数，然后依据施体-受体算法计算自由表面边界条件，再计算自由表面方向，用t＝t+Δt累加时间值，更新速度场，构造铸件的三维几何模型已充满或者完成，当前计算则结束，否则以上一时刻的速度场、压力场作为估计值，显示计算本时刻的速度值，求出单元的散度D_i，j，k，并判断是否满足连续方程，如果所述判断为肯定结果，则直接求解散热方程，再回到依据施体-受体算法计算自由表面扩展步骤；如果所述判断为否定结果，则修正压力，修正速度后，再重新判断，直到判断结果满足连续方程，至下一步求解散热方程。

3.按照权利要求2所述铸件充型过程模拟方法，其特征在于：所述用SOLA求解铸件充型过程压力场和速度场、用VOF确定流动域和自由表面，其计算步骤为：

(1)由Navier-Stokes方程的离散公式，以初始条件或前一时刻值为基础，计算当前时刻的试算速度；

(2)给每一个单元定义散度D_i，j，k：将所述步骤(1)的试算速度值代入连续性方程离散公式，求出D_i，j，k，若D_i，j，k＝0，则步骤(1)中所述试算速度值满足连续性方程，即此时的速度场与压力场值既满足动量守恒方程又满足质量守恒方程，当前时间步长计算结束；如整个流场中有任一个单元不能满足连续性方程，即D_i，j，k不等于0，则需要下一步的修正；修正步骤：欲修正速度，须先修正压力；

(3)根据校正压力求出校正后的试算速度；

(4)将校正后的试算速度值代入所述步骤(2)，反复迭代直至所有单元均满足连续性方程；

(5)由体积函数方程确定新的流动域，对表面单元做合理设置；

(6)返回第一步，进入下一时刻计算。

4.按照权利要求2所述铸件充型过程模拟方法，其特征在于：所述计算自由表面扩展设计方法为根据计算单元的上游、下游单元，粗略估计出自由表面的形状，然后，根据不同形状，计算体积函数F在单元的边界面上的通量，从而计算出各个时刻体积函数F值；具体步骤是：

1)边界上的任意两个单元，区分出施体单元和受体单元，依据所述两个单元边界上的速度的代数符号来确定，施体单元是上游单元，其体积函数用F_D表示，受体是下游单元，其体积函数用F_A表示；

2)定出施体单元和受体单元边界上的体积函数值F_AD；

3)计算边界上的体积流量。