金属凝固过程数值模拟的可视化研究

摘要

铸造生产出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关.铸件凝固过程的计算机模拟近年来得到了很大的发展,可以准确地描述这一复杂的变化过程,显示铸件凝固过程中所发生的温度变化和液固态变化,并预测出可能发生的缺陷.该论文主要研究铸造过程数值模拟的前、后处理技术,并编制了进行前、后处理的应用软件.铸件凝固过程数值模拟软件一般都不自带造型部分,因此软件本身与第三方造型软件的输出数据的接口是首先要解决的问题,即前处理问题.该文对造型软件输出的STL文件格式进行了详细的研究,设计了将其转换为模拟软件自身数据结构的方法,并编制了相应的接口程序模块,实现了模拟软件与前端造型软件的无缝连接.通过数值模拟计算得到的目标数据能比较真实的模拟铸造过程.但是这些目标数据有一个共同的特征就是数据量非常庞大.用户很难直接从这些抽象、庞大的目标数据中获得有用的信息.后处理的任务就是要把目标数据转化为计算机图形,从而为用户分析这些目标数据提供一种直观方便的手段.该文借助了科学计算可视化的体视化技术进行目标数据的处理.文中对科学计算可视化的起源和发展现状做了全面的探讨.按照科学计算可视化的一般处理方法对凝固过程数值模拟计算所得的大量数据进行了处理,将庞大、枯燥的结果数据转化成鲜艳直观的图形.文中应用计算机图形学的知识,针对模拟计算使用的正交网格单元设计了适合于处理凝固模拟结果数据的独特的处理流程和算法.对投影矩阵的消隐算法等进行了改进,使计算机处理图形的速度得到了很大的提高,同时使最后得到的图形更能准确的显示用户所关心的问题.软件采用微软公司的面向对象的可视化开发语言VC+6.0编写,利用其对话框等交互手段实现了用户对处理过程的全面控制,对图形的生成,属性的映射都能进行人工干预,因此使得处理后得到结果能最大程度地满足用户的要求.

目录

文摘

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彩图

第一章铸件凝固过程的数值模拟

1.1选题的背景和意义

1.2铸件凝固模拟的意义

1.3铸造凝固过程的计算机数值模拟的国内外研究概况

1.3.1铸件充型过程数值模拟的研究概况

1.3.2缩松、缩孔预测的数值模拟概况

1.3.3应力场数值模拟的研究概况

1.3.4热裂数值模拟研究概况

1.3.5微观组织模拟的研究概况

1.4国内外凝固模拟软件的发展概况

1.5凝固模拟软件简介

1.6凝固模拟软件的一般结构

1.7本课题的研究内容

第二章：科学计算可视化

2.1实现科学计算可视化的重要意义

2.2科学计算可视化的应用领域

2.3科学计算可视化的研究内容

2.4科学计算可视化技术的发展现状

2.5可视化技术的发展动向

2.6三维空间数据场可视化的基本流程

2.7科学计算可视化在凝固模拟系统中的应用

第三章：铸件三维有限差分网格自动剖分技术及程序设计与实现

3.1 STL文件的读入

3.2网格剖分原理

3.3网格剖分程序的设计

3.3.1确定剖分坐标系及剖分实体范围

3.3.2计算铸件实体的网格层数

3.3.3剖分实体

3.3.4剖分过程的自动纠错

3.4网格剖分实例

第四章凝固模拟结果可视化处理技术的研究

4.1凝固模拟数据可视化处理的意义

4.2凝固模拟数据的可视化过程

4.3三维观察及图形变换

4.3.1模型变换

4.3.2从世界坐标到观察坐标的变换：

4.3.3投影

4.3.4规范化观察体

4.3.5设备变换

4.4可见面判别（消隐算法）

4.4.1有限差分网格单元的特殊性及其消隐算法

4.4.2投影算法的改进

第五章可视化处理的程序设计与实现

5.1基本三维铸件实体图形显示的程序设计与实现

5.2铸件实体与工艺条件的同时显示

5.3缺陷在铸件实体中的X射线透视显示

5.4铸件的三视图显示

5.5铸件相区分布图显示

5.6铸件动态旋转与剖切

5.7温度范围调整

5.8铸件图象的抓取与浏览

5.9凝固过程的动画显示

5.10单元冷却曲线的绘制

第六章程序测试与分析

6.1 STL文件有限差分网格自动剖分功能测试

6.2材质热物性文件的构造

6.3数值模拟计算

6.4可视化处理测试

6.4.1显示单个文件功能的测试

6.4.2铸件实体与工艺修正措施同时显示功能的测试

6.4.3缺陷的X投射显示

6.4.4铸件的三视图显示

6.4.5铸件相区分布图的显示

6.4.6铸件动态旋转与剖切

6.4.7单元冷却曲线的绘制

6.5铸件凝固模拟结果的分析与改进

第七章总结

致谢

参考文献

附录A(攻读学位期间发表的论文目录)