本發(fā)明屬于仿真模型領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于氣缸蓋制造全過(guò)程的一體化仿真方法。

背景技術(shù)：

1、氣缸蓋是內(nèi)燃機(jī)中的關(guān)鍵部件，其制造過(guò)程通常包括鑄造、熱處理和機(jī)械加工三個(gè)主要步驟。由于氣缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚不均，其在不同制造階段會(huì)受到不同程度的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，這直接影響到氣缸蓋的殘余應(yīng)力和最終性能。因此，制造全過(guò)程中的信息傳遞對(duì)于氣缸蓋的計(jì)算分析至關(guān)重要。

2、目前，現(xiàn)有的技術(shù)通常將鑄造、熱處理和機(jī)械加工過(guò)程分開(kāi)處理，各階段使用不同的仿真模型和軟件平臺(tái)，導(dǎo)致信息傳遞效率低，容易出現(xiàn)誤差。例如，鑄造過(guò)程的毛坯模型需要在熱處理仿真前進(jìn)行修改和分區(qū)，機(jī)械加工數(shù)據(jù)也需重新映射用于后續(xù)計(jì)算分析。這種方法不僅增加了工作量，還可能影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3、現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中雖有涉及數(shù)控加工、機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)和鑄造過(guò)程的研究，但這些研究未能覆蓋氣缸蓋制造的全過(guò)程，未能實(shí)現(xiàn)仿真模型和信息的統(tǒng)一管理。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠統(tǒng)一管理鑄造、熱處理、機(jī)械加工及計(jì)算分析的全過(guò)程仿真模型具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中仿真模型和信息傳遞不一致的問(wèn)題，提供一種基于氣缸蓋制造全過(guò)程的一體化仿真方法，該模型能夠高效、準(zhǔn)確地傳遞制造過(guò)程中的各類(lèi)信息，從而提高氣缸蓋計(jì)算分析的精度。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于氣缸蓋制造全過(guò)程的一體化仿真方法，包括：

4、氣缸蓋機(jī)械加工仿真模型的仿真方法：基于氣缸蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，補(bǔ)全機(jī)械加工去除的部分，并將模型定義為不同的區(qū)域，通過(guò)將不同的區(qū)域結(jié)合構(gòu)建出完整的氣缸蓋毛坯模型，進(jìn)而模擬機(jī)械加工過(guò)程中的變化；

5、氣缸蓋熱處理仿真模型的仿真方法：在機(jī)械加工仿真模型的基礎(chǔ)上，按照熱處理的邊界條件進(jìn)行分區(qū)處理，得到氣缸蓋熱處理仿真模型；

6、氣缸蓋鑄造仿真模型的仿真方法：在熱處理仿真模型的基礎(chǔ)上，添加氣缸蓋鑄造仿真輔助模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行分區(qū)處理，用以模擬鑄造過(guò)程中毛坯模型的形成及其細(xì)節(jié)；

7、氣缸蓋計(jì)算分析仿真模型的仿真方法：在氣缸蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的邊界條件設(shè)置，并添加熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算所需的輔助模型，如用以進(jìn)行水腔cfd仿真、溫度場(chǎng)仿真、熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算和疲勞評(píng)估。

8、進(jìn)一步的，所述氣缸蓋機(jī)械加工仿真模型的仿真方法包括：

9、模型構(gòu)建：首先從氣缸蓋的cad設(shè)計(jì)模型開(kāi)始，提取機(jī)械加工所需的幾何信息，通過(guò)布爾運(yùn)算獲得機(jī)械加工前的毛坯模型，該模型是設(shè)計(jì)模型與鑄造毛坯模型的差集；

10、鑄造仿真：采用鑄造仿真軟件，基于鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行仿真；

11、缺陷預(yù)測(cè)：通過(guò)鑄造仿真，預(yù)測(cè)可能的鑄造缺陷，用以?xún)?yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，確保鑄件質(zhì)量。

12、進(jìn)一步的，在所述模型構(gòu)建中，包括：

13、設(shè)mdesign為設(shè)計(jì)模型，mcasting為鑄造毛坯模型，則機(jī)械加工前的毛坯模型mmachining表示為：

14、mmachining＝mdesign-mcasting。

15、進(jìn)一步的，在所述鑄造仿真中，包括：

16、鑄造過(guò)程中，通過(guò)以下公式進(jìn)行描述：

17、

18、其中，其中，l為潛熱，fs為固相分?jǐn)?shù)。

19、進(jìn)一步的，所述氣缸蓋熱處理仿真模型的仿真方法包括：

20、設(shè)定熱處理邊界條件：首先根據(jù)熱處理工藝要求，定義熱處理過(guò)程中的邊界條件，所述邊界條件包括加熱溫度、冷卻速率、環(huán)境溫度；

21、熱處理仿真：基于機(jī)械加工后的毛坯模型，采用熱處理仿真軟件進(jìn)行仿真，通過(guò)求解熱傳導(dǎo)方程，模擬整個(gè)熱處理過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布；

22、應(yīng)力分析：通過(guò)溫度場(chǎng)的分布，計(jì)算熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

23、進(jìn)一步的，在所述熱處理仿真中，通過(guò)求解熱傳導(dǎo)方程，模擬整個(gè)熱處理過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布：

24、

25、其中，ρ為材料密度，c為比熱容，t為溫度，k為熱導(dǎo)率，q為熱源頂。

26、進(jìn)一步的，在所述應(yīng)力分析中，熱應(yīng)力的計(jì)算依賴(lài)于材料的熱膨脹系數(shù)α和溫度場(chǎng)變化：

27、σthermal＝eα(t-t0)；

28、其中，e為彈性模量，t0為參考溫度。

29、進(jìn)一步的，所述氣缸蓋鑄造仿真模型的仿真方法包括：

30、設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)：在熱處理仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)鑄造工藝，所述鑄造工藝設(shè)計(jì)包括澆注系統(tǒng)、激冷系統(tǒng)、補(bǔ)縮系統(tǒng)和鑄型的設(shè)計(jì)；

31、鑄造仿真：采用鑄造仿真軟件基于鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行仿真；

32、缺陷預(yù)測(cè)：通過(guò)鑄造仿真，預(yù)測(cè)可能的鑄造缺陷，如氣孔、夾渣和縮孔。

33、進(jìn)一步的，在所述鑄造仿真中，鑄造過(guò)程中，針對(duì)溫度場(chǎng)和凝固過(guò)程通過(guò)以下方程進(jìn)行描述：

34、

35、其中，l為潛熱，fs為固相分?jǐn)?shù)。

36、進(jìn)一步的，所述氣缸蓋計(jì)算分析仿真模型的仿真方法包括：

37、cfd仿真：在氣缸蓋的設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行水腔的cfd仿真；

38、溫度場(chǎng)仿真：使用fem進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真，以分析氣缸蓋在工作過(guò)程中溫度分布的均勻性；

39、熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算：基于溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，進(jìn)一步進(jìn)行熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算，評(píng)估氣缸蓋在工作過(guò)程中受到的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合影響；

40、疲勞評(píng)估：根據(jù)熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，對(duì)氣缸蓋進(jìn)行疲勞評(píng)估，預(yù)測(cè)其壽命。

41、進(jìn)一步的，在所述cfd仿真中，分析氣缸蓋在工作過(guò)程中冷卻水流動(dòng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，求解navier-stokes方程，得到流體速度場(chǎng)v和壓力場(chǎng)p：

42、

43、其中，μ動(dòng)力粘度，f為體積力。

44、進(jìn)一步的，在所述熱機(jī)耦合應(yīng)力計(jì)算中，采用以下熱機(jī)耦合方程進(jìn)行計(jì)算：

45、σtotal＝σthermal+σmechanical；

46、其中，σmechanical為機(jī)械應(yīng)力，由外部載荷引起，σthermal為熱應(yīng)力。

47、進(jìn)一步的，在所述疲勞評(píng)估中，疲勞分析采用s-n曲線或斷裂力學(xué)方法進(jìn)行：

48、

49、其中，nf為疲勞壽命，σa為應(yīng)力幅值，σfatigue為疲勞極限，b為材料常數(shù)。

50、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的一種基于氣缸蓋制造全過(guò)程的一體化仿真方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

51、(1)本發(fā)明的一體化模型包括鑄造過(guò)程、熱處理過(guò)程、機(jī)械加工過(guò)程和計(jì)算分析評(píng)估，即一體化模型可分解出氣缸蓋鑄造仿真模型、氣缸蓋熱處理仿真模型、氣缸蓋機(jī)械加工仿真模型、氣缸蓋計(jì)算分析模型和氣缸蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，可直接用于鑄造過(guò)程仿真、熱處理過(guò)程仿真、機(jī)械加工過(guò)程仿真、計(jì)算分析和產(chǎn)品工程圖樣生成；

52、(2)本發(fā)明的一體化模型綜合考慮氣缸蓋制造全過(guò)程的各種仿真需求，如熱處理熱邊界條件施加分區(qū)、氣缸蓋水腔cfd仿真、氣缸蓋溫度場(chǎng)仿真、氣缸蓋熱機(jī)耦合應(yīng)力仿真等。