热应力分析计算云平台的建立

【摘要】建立热应力分析计算云平台是为了加快铸锻工业的发展速度，提高铸锻工业的发展水平，并进一步降低铸锻件的生产研发成本，提升工艺，扩大利润，强化市场竞争力。本文主要介绍热应力分析计算云平台的构建过程。

【关键词】热应力；模拟；云平台。

1、概述

1.1 热应力分析计算云平台的建立的意义。随着我国工业现代化的迅猛发展，计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工程（CAE）等计算机辅助系统在现代工业中的地位愈发凸显。为了加快铸锻工业的发展速度，提高铸锻工业的发展水平，并进一步降低铸锻件的生产研发成本，提升工艺，扩大利润，强化市场竞争力，遂决定建立热应力分析计算云平台。该平台基于强大的有限元分析，使其能够预测严重畸变和残余应力，模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸造过程中微观组织的变化。与传统的尝试-出错-修改方法相比，基于该平台的可视化分析计算是减少制造成本，缩短模具开发交货时间和改善铸造过程质量的重要完美解决方案。

1.2 铸锻行业现状。铸锻行业是铸造业和锻造业的统称，铸造和锻造是机械工业毛坯的提供者，是机械制造行业的基石，对我国国民经济的发展起着重要的作用，在汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业中，铸锻件都占有较大的比重。各种大小类型的机器，铸锻件一般占整个重量的50%～70%。在矿冶（钢、铁、有色）、能源（火、水、核电等）、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中铸锻件都占很大的比重和起重要作用。我国铸锻行业存在的主要问题：（1）产量大，厂点多，规模小，经济效益差；（2）铸件等级低、精度差、价格低；（3）铸造技术、铸造设备相对落后。

1.3 相关概念介绍。热应力：温度改变时，物体由于外在约束以及内部各部分之间的相互约束，使其不能完全自由胀缩而产生的应力。又称变温应力。求解热应力，既要确定温度场，又要确定位移、应变和应力场。与时间无关的温度场称定常温度场，它引起定常热应力；随时间变化的温度场叫非定常温度场，它引起非定常热应力。热应力的求解步骤：①由热传导方程和边界条件（求非定常温度场还须初始条件）求出温度分布；②再由热弹性力学方程求出位移和应力。云平台：这种平台允许开发者们或是将写好的程序放在“云”里运行，或是使用“云”里提供的服务，或二者皆是。

2、平台设计相关理论

热应力分析计算运用的是模拟的方法，而后再将这种方法植入云服务平台。模拟是对真实事物或者过程的虚拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用，以及模拟的重现度和有效性。可以认为仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。

云平台提供的服务分为三大类：（1）软件即服务（Software as a service，SaaS）：SaaS应用是完全在“云”里（也就是说，一个Internet服务提供商的服务器上）运行的。其户内客户端（on-premises client）通常是一个浏览器或其他简易客户端。（2）附着服务（Attached services）：每个户内应用（on-premises application）自身都有一定功能，它们可以不时地访问“云”里针对该应用提供的服务，以增强其功能。由于这些服务仅能为该特定应用所使用，所以可以认为它们是附着于该应用的。（3）云平台（Cloud platforms）：云平台提供基于“云”的服务，供开发者创建应用时采用。你不必构建自己的基础，你完全可以依靠云平台来创建新的SaaS应用。云平台的直接用户是开发者，而不是最终用户。

3、可行性分析

3.1 经济可行性。目前计算单件费用大约在2-30万，主要清华大学、计算所和西安交通大学等进行分析计算。因此，从系统多方面的功能和用途来预算，开发本系统在成本花费上要远小于它在未来应用中的实用效益，故开发此项目具有经济可行性。

3.2 技术可行性。依靠ESI公司提供的ProCAST软件为计算核心，结合自主打造的云服务平台，两者可以完美融合，故开发此项目具有技术可行性。

3.3 操作可行性。从操作系统上来看，本软件力求做到人机界面友好，操作流程清晰，界面简洁，故开发此项目具有操作可行性。

4、平台的设计

平台设计为ProCAST+SaaS结构：以ProCast为模拟计算核心，以SaaS架构为基础平台，基于模块化的开发方法构建完成。平台具备以下特性：（1）可扩展性，也就是系统的维护性，在系统产生新的需求时，不用修改程序直接利用系统的扩展性就可解决。（2）分解性，将一个大型系统分解为若干的子系统模块。（3）组装性，子系统模块实现后，可以方便地用于构建新的大型系统。（4）可移植性，为了适应今后的发展，要求系统具有可移植性强的特性。（5）保护性，在模块发生错误时减少副作用的发生。

4.1 适用范围。模块化设计适合任何铸造过程的模拟：高、低压铸造，砂模铸造、金属型铸造和斜浇注，熔模铸造，壳模铸造，消失模铸造和离心铸造，等等。

4.2 材料数据库。平台计算核心可以用来模拟任何合金，从钢和铁到铝基、钴基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。得益于长期的联合研究和工业验证，使得通过工业验证的材料数据库不断地扩充和更新，同时，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。除了基本的材料数据库外，平台计算核心还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，从而自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热和固相率的变化等热力学参数。平台计算核心提供了能够预测评估整个铸造过程的完整软件解决方案，包括模型填注，凝固，微观构造和热力的模拟。能够快速可视化铸型设计的影响，使得制造过程的早期能够做出正确的决策。

4.3 特点和规格。平台计算核心是完整的模块软件解决方案提供众多的模块和工程工具来满足铸造业最复杂的要求。在过程的每个阶段选择每个特定模块：模填充的流体求解器包括半固体材料，消失模和离心铸造；用于凝固和收缩预测的热求解器包括辐射选项；应力求解器包括热应力和变形；而且，还可以选择一些专门和高级金属选项来预测；气体和微孔；铁合金的微观构造；颗粒结构形式。

4.4 SaaS平台。热应力分析计算云平台是一款面向个人和企业用户的云服务平台，可通过浏览器及客户端两种方式登录。通过后续扩展，平台可包括计算、数据库、通讯、邮箱、办公自动化、网盘、办公协同等多款云端应用。

5、结语

热应力分析计算云平台的建立是一项复杂而艰巨的任务，需要大量的初期投入，但是该平台的建立对于提高整个铸锻行业的发展乃至国民经济的发展都有着重大意义。

参考文献

[1]司品超，董超群，吴利，张超容.云计算：概念.现状及关键技术[A].2008.

[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.

作者简介

1.段涛（男）1986.10生，大学本科，助理工程师，主要从事信息化管理，系统集成，计算机网络、网络设备管理等工作；

2.于宁（女）1982.12生，大学本科，助理工程师，主要从事信息化管理和企业办公自动化研发.

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