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C#中铸件凝固过程温度场三维数值模拟软件开发研究

作　者: 杨平
导　师: 张金山
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: C# DirectX 温度场直接差分法数值模拟网格剖分
分类号: TG21
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 212次
引　用: 2次
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内容摘要

通过铸造过程的数模模拟,人们可以掌握主要铸造缺陷的形成机理,优化铸造工艺参数,确保铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本。温度场数值模拟是缩孔缩松、、热裂、偏析等缺陷预测和流场、热应力场模拟的基础。在当前的数值模拟软件开发中,用得比较多的是Fortran和C++语言,在三维图形显示方面多使用OpenGL来实现。本文用微软最新推出的C#为开发语言,用DirectX来实现三维图形显示,编制了一套铸件凝固过程三维温度场数值模拟软件,实现了STL造型文件的处理、直角六面体网格剖分、温度场数值计算、冷却曲线和查看最后凝固区域等功能,且程序运行过程中均实现了三维直观显示。软件开发的平台和语言,直接决定着软件开发的难易,以及软件运行的效率。本文在微软公司最新推出的.NET程序开发平台下,对使用最新的C#语言进行数值模拟软件开发进行了研究。研究发现:在C#中进行数值模拟软件开发,不仅编程容易实现,程序运行效率很高且更有利于程序后续版本的控制。面向对象思想是当前程序开发的主流思想,在程序开发过程中,充分使用面向对象的编程思想,不但使编程工作变得更加快捷、方便,更可提高程序代码可读性、可扩充性和可维护性。本文充分使用面向对象的思想,对数值模拟计算中的大量数据进行索引、排序,大大提高了程序的开发和运行效率。造型是数值模拟的第一步,本文直接对Pro/E、UG等大型造型软件所造模型实体进行调用,经过处理后存入计算机内存,能够迅速用于网格剖分和数值计算。网格剖分是数值模拟顺利进行的前提条件。本文充分使用面向对象思想,采用逆向思维,对传统网格剖分方法进行改进,描述了一种快速生成均匀或非均匀直角六面体网格的网格剖分方法。这种方法不仅原理简单,编程实现方便,而且剖分速度快,适用于剖分任意形状的铸件。数值计算是数值模拟的核心。传统的直接差分法具有程序复杂、计算时间较长、数据量大等缺点,本文采用简化的直接差分法,减少了数据量,使程序开发更简单,计算效率更高。并使用等价比热法和温度回复法对凝固潜热进行处理,可以比较准确地模拟出二元合金在浇注后凝固和冷却过程的温度场变化。三维图形的直观显示是数值模拟软件应该具备的功能。在当前的计算机编程中,常用的图形显示技术有OpenGL和DirectX,但是在数值模拟方面,OpenGL使用较多,而DirectX则使用较少。本文使用DrectX实现了网格剖分、温度场计算、查看最后凝固的区域等功能,并列出了使用DirectX的关键步骤,用C#语言给出了实现数值模拟网格可视化的关键代码,并对主要参数进行了说明。探讨发现,使用DirectX不仅编程实现容易,且能实现半透明、旋转等功能,能满足数值模拟图形显示的要求。为了验证软件的实用性,本文对湿砂型中含硅6.57%的亚共晶铝硅合金起吊凸轮的凝固过程的温度场进行计算,模拟的铸件冷却趋势、冷却曲线、最后凝固区域、程序计算时间和界面显示等效果基本令人满意。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-23
  1.1 引言  12-13
  1.2 铸件凝固过程温度场数值模拟的国内外研究状况  13-15
  1.3 铸件凝固过程温度场数值模拟软件开发的理论和方法  15-20
    1.3.1 软件开发平台和语言  15
    1.3.2 面向对象技术  15-16
    1.3.3 面向对象技术在有限元程序设计中的应用  16-17
    1.3.4 网格剖分原理和方法  17-18
    1.3.5 温度场数值计算方法  18-20
  1.4 论文主要内容  20-21
  1.5 本课题研究的意义  21-23
第二章 .NET平台及C#语言  23-27
  2.1 .NET平台介绍  23
  2.2 C#语言  23-26
    2.2.1 C#语言介绍  23-24
    2.2.2 C#与C++的区别  24-26
  2.3 小结  26-27
第三章基于STL的有限差分网格剖分  27-33
  3.1 基于STL的网格剖分原理  27-30
    3.1.1 STL造型文件  27-28
    3.1.2 常用的网格剖分原理  28
    3.1.3 改进的网格剖分方法  28-30
  3.2 相交轮廓线的确定  30-31
  3.3 奇异点处理  31
  3.4 非均匀网格剖分方法  31
  3.5 对复杂铸件的剖分处理  31-32
  3.6 小结  32-33
第四章铸件凝固过程温度场数值模拟计算方法  33-46
  4.1 铸件凝固传热计算的数学模型  33-40
    4.1.1 数值解析方法的选择  33-36
    4.1.2 简化的直接差分法传热计算原理  36-38
    4.1.3 边界条件和初始条件  38-40
  4.2 金属凝固的潜热处理  40-45
    4.2.1 潜热处理方法概述  40-42
    4.2.2 本文对潜热的处理方法  42-45
  4.3 小结  45-46
第五章三维温度场面向对象数值模拟软件开发  46-53
  5.1 系统功能简介  46
  5.2 系统的总体设计  46-52
    5.2.1 软件的界面  46
    5.2.2 对象的实现  46-48
    5.2.3 多线程、DataSet和StringBuilder的使用  48-49
    5.2.4 各模块主要功能介绍  49-52
  5.3 小结  52-53
第六章数值模拟网格可视化技术研究  53-62
  6.1 DirectX和OpenGL的区别  53-54
  6.2 DirectX使用的关键步骤  54-58
    6.2.1 安装DirectX SDK  54
    6.2.2 添加对DirectX的引用  54-55
    6.2.3 建立设备(Device)对象  55-56
    6.2.4 建立网格(Mesh)对象  56
    6.2.5 建立文字(Font)对象  56-57
    6.2.6 重写OnPaint事件  57-58
  6.3 多个网格的绘制及半透明效果的实现  58-59
  6.4 旋转效果的实现  59
  6.5 颜色温度图  59-60
  6.6 GDI+的使用  60-61
  6.7 小结  61-62
第七章温度场数值模拟软件的实用性检验  62-69
  7.1 起吊凸轮铸件实体  62
  7.2 网格剖分效果  62-63
  7.3 铝硅二元合金相图  63
  7.4 参数设置  63-64
  7.5 温度场计算  64-66
  7.6 温度场模拟结果及分析  66-68
    7.6.1 冷却曲线  66-67
    7.6.2 最后凝固区域  67-68
  7.7 小结  68-69
第八章主要结论  69-71
  8.1 本课题的创新点  69
  8.2 结论  69-71
参考文献  71-77
致谢  77-78
攻读学位期间发表的学术论文  78

C#中铸件凝固过程温度场三维数值模拟软件开发研究

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