射芯过程机理的实验研究以及三维数值模拟

With the increase of the demands, complexity, and quality requirements of castings, the importance of sand core becomes greater continuously. However, until now trial-and-error method is still the main method used to produce uniform and dense sand cores, because of the lack of scientific rules and related methods. Therefore, it is necessary to conduct 3-D numerical simulation and experimental study of core shooting process. In this project, advanced testing equipment (e.g., high-speed camera, pressure sensors and CT) will be used to test the core shooting process in situ, and the analysis of the mechanism of core shooting process will be carried out. Simultaneously, with Kinetic Theory, Frictional-Kinetic model and the testing results, a 3-D dilute-dense two-phase flow model of core shooting process will be built, and then Fortran and GPU + CPU hybrid parallel technique will be used to develop the corresponding parallel computing program. Eventually the results achieved will be used to solve the problems appeared in the production of complex sand core.

砂芯在现代化铸造生产中的地位随着铸件需求量、复杂程度以及质量要求的提高而不断提升。然而迄今为止国内外仍然主要凭经验和反复试验的方法来获得均匀、致密的砂芯，缺乏相应的科学规律、科学手段指导。因此，对作为砂芯制造的主要方法的射芯过程机理进行实验研究和三维数值模拟以获得射芯过程的科学规律、优化芯盒设计及工艺方案具有一定的科学意义和明确、广阔的应用前景。本项目使用高速摄影仪、压力传感器、CT等先进的检测设备原位(in-situ)测试射砂过程，继而分析射芯过程机理。同时以颗粒动力学理论(Kinetic Theory)、摩擦-动力学理论(Frictional-Kinetic model)以及实验结果为基础建立射芯过程的三维稀疏-稠密(dilute-dense)两相流模型，使用Fortran语言结合GPU+CPU混合并行技术开发相应的并行计算程序，然后使用研究成果来解决复杂砂芯实际生产中出现的问题。

在复杂铸件的生产中，砂芯的使用必不可少。随着现代化铸造生产中铸件复杂度与精度要求的提高，对砂芯的质量要求也逐步提高，射芯过程是砂芯生产的主要过程，它对砂芯的最终质量起到决定性作用。全面、准确地探索射芯过程主要影响因素的影响规律以及在此基础上揭示其内在机理是优化工艺、工装设计，控制砂芯质量以及实现智能化生产的关键。.利用实际生产中射芯机、高速摄像系统、压力采集系统、流量计等设备，和自主设计的配套芯盒模具和射砂筒模具，搭建了射芯过程实时检测实验平台。使用搭建的实验平台对射芯过程的主要影响因素（芯砂特性，设备，工艺工装参数）进行了全面、系统的实时实验研究，根据实验结果分析得到了射芯过程主要参数的影响规律。.以双流体模型（Two-Fluid Model）为基础，结合颗粒动力学理论（Kinetic Theory of Granular Flow）、土力学摩擦应力模型（Frictional stress）以及Johnson &Jackson边界模型，建立了射芯过程气-固两相流模型，并使用Fortran语言开发了国内首款三维射芯程序，模拟结果很好的吻合实验结果。.然而程序的计算效率难以满足工程应用的需求。使用基于C语言扩展的CUDA C语言，通过GPU（Graphics Processing Unit）并行计算方法，合理地调用GPU线程，使程序的计算效率有了明显的提高，且模拟结果依然与实验结果吻合。为了充分利用多GPU主机上的计算资源，使用多GPU卡对程序进行优化：将计算的数据进行合理的分割与归类，并分配到各个GPU卡上进行计算，使得程序的计算效率有了进一步的提高。.为了实现射芯模拟程序的用户友好性，进一步对射芯模拟程序进行开发：结合已有的前后处理软件，使用MFC开发工具开发软件，为前后处理与计算各模块间提供接口，最终开发出用户友好的射芯过程模拟软件，并通过对砂芯试件的模拟验证了软件功能的完整和稳定，用户通过输入试件模型文件，并在软件界面上设置参数，软件就能自动完成从网格划分到显示的全过程，射芯模拟软件的实现对于射芯模拟的工程应用有重要的意义。