熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)的建立

段濤　于寧

【摘要】建立熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)是為了加快鑄鍛工業(yè)的發(fā)展速度，提高鑄鍛工業(yè)的發(fā)展水平，并進(jìn)一步降低鑄鍛件的生產(chǎn)研發(fā)成本，提升工藝，擴(kuò)大利潤(rùn)，強(qiáng)化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文主要介紹熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)的構(gòu)建過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】熱應(yīng)力；模擬；云平臺(tái)。

1、概述

1.1 熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)的建立的意義。隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）、計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)中的地位愈發(fā)凸顯。為了加快鑄鍛工業(yè)的發(fā)展速度，提高鑄鍛工業(yè)的發(fā)展水平，并進(jìn)一步降低鑄鍛件的生產(chǎn)研發(fā)成本，提升工藝，擴(kuò)大利潤(rùn)，強(qiáng)化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，遂決定建立熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)。該平臺(tái)基于強(qiáng)大的有限元分析，使其能夠預(yù)測(cè)嚴(yán)重畸變和殘余應(yīng)力，模擬金屬鑄造過(guò)程中的流動(dòng)過(guò)程，精確顯示充填不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置以及殘余應(yīng)力與變形，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縮孔、縮松和鑄造過(guò)程中微觀組織的變化。與傳統(tǒng)的嘗試-出錯(cuò)-修改方法相比，基于該平臺(tái)的可視化分析計(jì)算是減少制造成本，縮短模具開(kāi)發(fā)交貨時(shí)間和改善鑄造過(guò)程質(zhì)量的重要完美解決方案。

1.2 鑄鍛行業(yè)現(xiàn)狀。鑄鍛行業(yè)是鑄造業(yè)和鍛造業(yè)的統(tǒng)稱，鑄造和鍛造是機(jī)械工業(yè)毛坯的提供者，是機(jī)械制造行業(yè)的基石，對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用，在汽車(chē)、石化、鋼鐵、電力、造船、紡織、裝備制造等支柱產(chǎn)業(yè)中，鑄鍛件都占有較大的比重。各種大小類(lèi)型的機(jī)器，鑄鍛件一般占整個(gè)重量的50%～70%。在礦冶（鋼、鐵、有色）、能源（火、水、核電等）、海洋和航空航天等工業(yè)的重、大、難裝備中鑄鍛件都占很大的比重和起重要作用。我國(guó)鑄鍛行業(yè)存在的主要問(wèn)題：（1）產(chǎn)量大，廠點(diǎn)多，規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)效益差；（2）鑄件等級(jí)低、精度差、價(jià)格低；（3）鑄造技術(shù)、鑄造設(shè)備相對(duì)落后。

1.3 相關(guān)概念介紹。熱應(yīng)力：溫度改變時(shí)，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。又稱變溫應(yīng)力。求解熱應(yīng)力，既要確定溫度場(chǎng)，又要確定位移、應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)。與時(shí)間無(wú)關(guān)的溫度場(chǎng)稱定常溫度場(chǎng)，它引起定常熱應(yīng)力；隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)叫非定常溫度場(chǎng)，它引起非定常熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的求解步驟：①由熱傳導(dǎo)方程和邊界條件（求非定常溫度場(chǎng)還須初始條件）求出溫度分布；②再由熱彈性力學(xué)方程求出位移和應(yīng)力。云平臺(tái)：這種平臺(tái)允許開(kāi)發(fā)者們或是將寫(xiě)好的程序放在“云”里運(yùn)行，或是使用“云”里提供的服務(wù)，或二者皆是。

2、平臺(tái)設(shè)計(jì)相關(guān)理論

熱應(yīng)力分析計(jì)算運(yùn)用的是模擬的方法，而后再將這種方法植入云服務(wù)平臺(tái)。模擬是對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬。模擬要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。模擬的關(guān)鍵問(wèn)題包括有效信息的獲取、關(guān)鍵特性和表現(xiàn)的選定、近似簡(jiǎn)化和假設(shè)的應(yīng)用，以及模擬的重現(xiàn)度和有效性?？梢哉J(rèn)為仿真是一種重現(xiàn)系統(tǒng)外在表現(xiàn)的特殊的模擬。

云平臺(tái)提供的服務(wù)分為三大類(lèi)：（1）軟件即服務(wù)（Software as a service，SaaS）：SaaS應(yīng)用是完全在“云”里（也就是說(shuō)，一個(gè)Internet服務(wù)提供商的服務(wù)器上）運(yùn)行的。其戶內(nèi)客戶端（on-premises client）通常是一個(gè)瀏覽器或其他簡(jiǎn)易客戶端。（2）附著服務(wù)（Attached services）：每個(gè)戶內(nèi)應(yīng)用（on-premises application）自身都有一定功能，它們可以不時(shí)地訪問(wèn)“云”里針對(duì)該應(yīng)用提供的服務(wù)，以增強(qiáng)其功能。由于這些服務(wù)僅能為該特定應(yīng)用所使用，所以可以認(rèn)為它們是附著于該應(yīng)用的。（3）云平臺(tái)（Cloud platforms）：云平臺(tái)提供基于“云”的服務(wù)，供開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建應(yīng)用時(shí)采用。你不必構(gòu)建自己的基礎(chǔ)，你完全可以依靠云平臺(tái)來(lái)創(chuàng)建新的SaaS應(yīng)用。云平臺(tái)的直接用戶是開(kāi)發(fā)者，而不是最終用戶。

3、可行性分析

3.1 經(jīng)濟(jì)可行性。目前計(jì)算單件費(fèi)用大約在2-30萬(wàn)，主要清華大學(xué)、計(jì)算所和西安交通大學(xué)等進(jìn)行分析計(jì)算。因此，從系統(tǒng)多方面的功能和用途來(lái)預(yù)算，開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)在成本花費(fèi)上要遠(yuǎn)小于它在未來(lái)應(yīng)用中的實(shí)用效益，故開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目具有經(jīng)濟(jì)可行性。

3.2 技術(shù)可行性。依靠ESI公司提供的ProCAST軟件為計(jì)算核心，結(jié)合自主打造的云服務(wù)平臺(tái)，兩者可以完美融合，故開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目具有技術(shù)可行性。

3.3 操作可行性。從操作系統(tǒng)上來(lái)看，本軟件力求做到人機(jī)界面友好，操作流程清晰，界面簡(jiǎn)潔，故開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目具有操作可行性。

4、平臺(tái)的設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)為ProCAST+SaaS結(jié)構(gòu)：以ProCast為模擬計(jì)算核心，以SaaS架構(gòu)為基礎(chǔ)平臺(tái)，基于模塊化的開(kāi)發(fā)方法構(gòu)建完成。平臺(tái)具備以下特性：（1）可擴(kuò)展性，也就是系統(tǒng)的維護(hù)性，在系統(tǒng)產(chǎn)生新的需求時(shí)，不用修改程序直接利用系統(tǒng)的擴(kuò)展性就可解決。（2）分解性，將一個(gè)大型系統(tǒng)分解為若干的子系統(tǒng)模塊。（3）組裝性，子系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)后，可以方便地用于構(gòu)建新的大型系統(tǒng)。（4）可移植性，為了適應(yīng)今后的發(fā)展，要求系統(tǒng)具有可移植性強(qiáng)的特性。（5）保護(hù)性，在模塊發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)減少副作用的發(fā)生。

4.1 適用范圍。模塊化設(shè)計(jì)適合任何鑄造過(guò)程的模擬：高、低壓鑄造，砂模鑄造、金屬型鑄造和斜澆注，熔模鑄造，殼模鑄造，消失模鑄造和離心鑄造，等等。

4.2 材料數(shù)據(jù)庫(kù)。平臺(tái)計(jì)算核心可以用來(lái)模擬任何合金，從鋼和鐵到鋁基、鈷基、銅基、鎂基、鎳基、鈦基和鋅基合金，以及非傳統(tǒng)合金和聚合體。得益于長(zhǎng)期的聯(lián)合研究和工業(yè)驗(yàn)證，使得通過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的材料數(shù)據(jù)庫(kù)不斷地?cái)U(kuò)充和更新，同時(shí)，用戶本身也可以自行更新和擴(kuò)展材料數(shù)據(jù)。除了基本的材料數(shù)據(jù)庫(kù)外，平臺(tái)計(jì)算核心還擁有基本合金系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)庫(kù)使得用戶可以直接輸入化學(xué)成分，從而自動(dòng)產(chǎn)生諸如液相線溫度、固相線溫度、潛熱、比熱和固相率的變化等熱力學(xué)參數(shù)。平臺(tái)計(jì)算核心提供了能夠預(yù)測(cè)評(píng)估整個(gè)鑄造過(guò)程的完整軟件解決方案，包括模型填注，凝固，微觀構(gòu)造和熱力的模擬。能夠快速可視化鑄型設(shè)計(jì)的影響，使得制造過(guò)程的早期能夠做出正確的決策。

4.3 特點(diǎn)和規(guī)格。平臺(tái)計(jì)算核心是完整的模塊軟件解決方案提供眾多的模塊和工程工具來(lái)滿足鑄造業(yè)最復(fù)雜的要求。在過(guò)程的每個(gè)階段選擇每個(gè)特定模塊：模填充的流體求解器包括半固體材料，消失模和離心鑄造；用于凝固和收縮預(yù)測(cè)的熱求解器包括輻射選項(xiàng)；應(yīng)力求解器包括熱應(yīng)力和變形；而且，還可以選擇一些專門(mén)和高級(jí)金屬選項(xiàng)來(lái)預(yù)測(cè)；氣體和微孔；鐵合金的微觀構(gòu)造；顆粒結(jié)構(gòu)形式。

4.4 SaaS平臺(tái)。熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)是一款面向個(gè)人和企業(yè)用戶的云服務(wù)平臺(tái)，可通過(guò)瀏覽器及客戶端兩種方式登錄。通過(guò)后續(xù)擴(kuò)展，平臺(tái)可包括計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)、通訊、郵箱、辦公自動(dòng)化、網(wǎng)盤(pán)、辦公協(xié)同等多款云端應(yīng)用。

5、結(jié)語(yǔ)

熱應(yīng)力分析計(jì)算云平臺(tái)的建立是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，需要大量的初期投入，但是該平臺(tái)的建立對(duì)于提高整個(gè)鑄鍛行業(yè)的發(fā)展乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有著重大意義。

參考文獻(xiàn)

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[2]Luis M V， Luis Rodero-Merino， Juan Caceros， Maik LiMner. A break in the clouds：toward a cloud definition[J]. Computer Communication Review （ACM SIGCOMM）， 2009.

作者簡(jiǎn)介

1.段濤（男）1986.10生，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事信息化管理，系統(tǒng)集成，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理等工作；

2.于寧（女）1982.12生，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事信息化管理和企業(yè)辦公自動(dòng)化研發(fā).