（材料加工工程专业论文）铸造工艺水力模拟及其计算机可视化技术研究.pdf

沈阳理：大学硕十学位论文 摘要 本文主要研究了铸造水力模拟可视化技术，在已有的内部场及表面场两独立软 件模块的基础上，对铸造水力模拟可视化各子系统软件进行了整合设计，设计了 主控程序，文件管理模块? 程序运行参数设置模块、帮助模块，通信模块及结果 显示模块，最终完成了铸造水力模拟试验计算机可视化的整体软件平台。所设计 的软件操作简单，应用性能表现良好，实现了对数据的统一管理及各程序模块的 协同作业。 为了迸一步提高铸造水力模拟可视化系统的真实性与可靠性，以水、质量分数 为o 0 5 、0 1 5 、o 2 5 的聚丙烯酰股水溶液作为充型介质进行了铸造水j 模拟 模拟介质黏度调整试验，并通过对浇，j ：系统流量系数、液流雷诺数、液体充型状 态、液体充型速度场的对比分析，进一步探讨了铸造水力模拟试验模拟真实浇注 过程的准确性问题。试验结果表明调整铸造水力模拟试验模拟介质黏度对确保试 验结果的真实性很有必要。以示踪粒子( a 1 2 0 3 粉术) 浓度为5 0 0 个c m o 及i 0 0 0 个c m 。3 的o 0 5 聚丙烯酰胺水溶液为模拟介质进行了充型试验，对比分析了d p i v 处理结果中速度矢量的数量，初步探讨了示踪粒子散播浓度对d p i v 测速技术精确 性的影响。试验结果表明示踪粒子的散播数量对d p i v 空问分辨率的影响显著。 举例说明了铸造水力模拟可视化技术的应用价值，通过对示例中模拟充型流场 形态及人小的分析，预测分析了铸件浇注过程中可能由金属液充型流动行为所引 ，窿的铸件缺陷。同时针对厚度分别为2 0 c m 及6 0 c m 的两板件进行了铸造数值模拟， 爿叫奇数值模拟结果与水力模拟结果进行了对比，分析了各自的优缺点。 关键字：铸造可视化；水力模拟：数值模拟；介质黏度：示踪粒子 沈阳理i ：人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o m p u t e rv i s u a l i z a t i o nt e c h n i co fc a s t i n gh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o nw a s s t u d i e di nt h i sp a p e r b a s i n go nt h et w oi n d e p e n d e n tm o d u l e st h a tm e a s u r ei n t e r i o ra n d f l e es u r f a c ef l o wf i e l d sr e s p e c t i v e l y , s e v e r a ls u b s y s t e m ss u c ha st h e m a i np r o c e d u r e ， d o c u m e n tm a n a g e m e n ti n t e r f a c e ，p r o g r a me x e c u t i n gp a r a m e t e r ss e t t i n gm o d u l e s ，h e l p m o d u l e ，d a t as h a r i n g b a c k g r o u n dp r o c e s sa n dr e s u l tv i s u a l i z i n gp r o g r a mw e r e d e v e l o p e da n di n t e g r a t e dt oi m p l e m e n tt h ew h o l es o f t w a r es y s t e mf o rv i s u a l i z i n g c a s t i n gh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o n t h es o f t w a r es h o w e dg o o dm a n e u v e r a b i l i t ya n d p e r f o r m a n c ei na p p l i c a t i o n ；a n dc o h e r e n td a t am a n a g e m e n tf u n c t i o n , i n t e r - m o d u l e s y n e r g e t i cm e c h a n i s mp e r f o 肿e dw e l l i no r d e rt ou p g r a d et h er e a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fc a s t i n gh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o n v i s u a l i z i n gs y s t e m ，u s i n gw a t e ra n dp o l y a c r y l a m i d ea q u e o u ss o l u t i o n s ( t h r e ek i n d s ， e a c hm a s sc o n c e n t r a t i o ni s0 0 5 0 15 a n d0 15 1t h a th a v ed i f f e r e n td y n a m i c v i s c o s i t i e sa s f i l l i n gm e d i u m s ，s i m u l a t i n gc a s t i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u t t h r o u g ha n a l y z i n gt h eg a t i n gs y s t e mf l o wc o e f f i c i e n t s ，t h er e y n o l d sn u m b e r sa n dt h e f i l l i n gp a t t e r n sa n dv e l o c i t yf i e l d sc o m p a r a t i v e l y ，t h ea c c u r a c yo fc a s t i n gh y d r o d y n a m i c s i m u l a t i o nw a sd i s c u s s e df u r t h e r t h ev i s c o s i t y v a r i e dm e d i u m sf i l l i n ge x p e r i m e n t s s h o w e dt h a ti t sn e c e s s a r yt o a d j u s tt h ef i l l i n gm e d i u m sv i s c o s i t yt oo b t a i nab e t t e r s i m u l a t i o nv e r a c i t y u t i l i z i n g0 0 5 p o l y a c r y l a m i d es o l u t i o n sw i t hd i f f e r e n tt r a c i n g p a r t i c l e ( a 1 2 0 3p o w d e r ) c o n c e n t r a t i o n s ( 5 0 0 c m 一3 ，1 0 0 0 c m 一3 ) ，f i l l i n ge x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e do u te i t h e r t h en u m b e r so fv e l o c i t yv e c t o r st h a tg a i n e db yd p i vm e a s u r e m e n t h a v eb e e nc o m p a r e d ，a n dp r e l i m i n a r i l y ，e f f e c to ft h et r a c e r sc o n c e n t r a t i o no nd p i v s a c c u r a c yw a sd i s c u s s e d i tc a m eo u tt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no ft r a c e r sa f f e c t e dd p i v s s p a t i a lr e s o l u t i o no b v i o u s l y a na p p l y i n ge x a m p l eo fc a s t i n gh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o nv i s u a l i z a t i o nt e c h n i c w a sd e m o n s t r a t e d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es i m u l a t i n gf i l l i n gs t a t e m e n ta n df l o w f i e l d ，p o s s i b l ec a s td e f e c t st h a tw o u l db ec r e a t e db yt h em o l t e nm e t a lf l o wa c t i v i t y d u r i n gt h ef i l l i n gp r o c e s sw e r ep r e d i c t e d c a s t i n gn u m e r i c a lm o d e l i n ge x p e r i m e n t so n t w os l a b s ( 2 0 c ma n d6 0 c m ) w e r ea l s oc a r d e do u t ，w h i c hr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h a t o f h y d r o d y n a m i c s i m u l a t i o n s m e r i t sa n ds h o r t a g e sb e t w e e nt h e mh a v eb e e n e n u m e r a t e d 沈刚理i ：人学硕十学何沦文 k e yw o r d s ：c a s t i n gp r o c e s sv i s u a l i z a t i o n ；h y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o n ；n u m e r i c a l m o d e l i n g ；m e d i u mv i s c o s i t y ；t r a c i n gp a r t i c l e 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本 人独、 ：完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贞献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：参、叶 日期 ：吲年；月哕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使j 罚学位沦文 的土见定，即：沈j j | 1 理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 人学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：趋叶 日 期：1 1 指导教师签名：耋气易亏 日 期：渺7 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 铸造工业是制造业的基础，在现代化生产中有着不可替代的作用。铸件质量 及使用性能取决于其成分、微观组织及成形过程，铸造工艺的设计及实施过程对 铸件成分、微观组织、成形质量有着决定性的作用，为此人们综合物理学、流体 学、场论、数值理论、计算机科学等技术理论对铸造工艺进行了大量的开发研究。 铸造是一个复杂的多参数过程，例如浇注温度、速度，浇注系统尺寸、结构， 铸型，金属液充型时速度场、温度场，金属液冷却凝固速度、方向等都将影响铸 件的质量；并且这一材料成形过程往往是在半封闭、不透明的铸型内进行的，金 属液的流动状态、凝固过程中温度场及应力场的变化都是不可见的。在传统铸造 工艺新产品的研制过程中，只能根据经验确定一些工艺参数，再根据浇出铸件的 缺陷，进行反复地工艺参数调整、反复地试验，这是一个人工试凑与定性分析过 程，凭借的是设计人员的经验或直观判断，缺乏理论依据，具有很大的盲目性， 浪费了大量的时间、人力、物力，生产中废品率较高，工厂生产尤其是小批量件 的生产成本很高【1 1 。 基于以上认识及需求，铸造模拟及可视化技术迅速发展起来。在这些领域所 取得的成果已应用到对原有铸造工艺的改进优化及新工艺的开发当中，不仅提高 了铸件质量，还缩短了研发周期，降低了能耗，改善了生产环境，大大提高了生 产效益1 2 , 3 ，4 ，5 1 。 本课题基于铸造水力模拟试验，借助于d p i v ( d i g i t a lp a r t i c a li m a g ev e l o c i m e t r y ) 及计算机可视化技术实现了金属液充型时内部二维速度场及自由表面速度场的可 视化。这将为预测分析铸件成形过程中与金属液充型流场相关的缺陷问题夹 杂、卷气、缩松、欠铸等提供实验依据，进而可帮助我们精确、高效地确定 或改进铸造工艺。 1 2 可视化铸造技术及国内外研究现状 沈阳理工大学硕士学位论文 1 2 1 可视化铸造技术的构成 材料铸造成形过程是在半封闭不透明的铸型内进行的，人们一直希望能看到 这一过程，其中金属液的流动行为、传热过程、凝固过程、应力现象、铸件微观 组织、均匀性、缺陷的形成等都是备受关注的问题。流体力学的相似理论、越来 越完善的流体数理模型、计算机数值处理技术及现代检测技术为上述各行为现象 的可视化提供了间接的手段。随着物理模拟技术、计算机数值模拟技术、x - r a y 在线检测技术相继应用于铸造可视化研究，可视化铸造技术的概念初步形成，包 括以下三部分内容：首先采用物理模拟或计算机数值模拟软件模拟铸件充型和凝 固过程；其次用x r a y 实时观察和监测浇注过程；最后通过实践与模拟、观测的 对比，确定浇注系统的设计与改进【州。可见可视化铸造技术是一门集物理模拟技术、 计算机数值模拟技术及x r a y 实时观测技术三位一体的综合性技术，其中任何一 方都有研究的必要。 1 2 1 i 物理模拟技术 物理模拟是一种重要的科学方法和工程手段。通常物理模拟是指缩小或放大 比例，或简化条件，或代用材料，用试验模型代替原型的研究，然后依据相似理 论将模型试验数据推广到原型中去。利用模拟研究方法通常可以得到定量的试验 结果，这一点在原型研究中往往很难做到。物理模拟试验的理论基础是相似理论， 一般要满足以下相似条件 6 , i ： ( i ) 几何形状相似，且各对应线段成同一比例关系。 ( 2 ) 速度场相似，即各对应点速度方向相同，大小成一比例关系。 ( 3 ) 力场相似，即作用在各对应点上力的性质相同，同名力的方向一致，大小 成一比例关系。 ( 4 ) 在非稳定流动状态下，各对应点上参数变化所需时间成比例关系。 ( 5 ) 初始条件相似、边界条件相似。 在铸造工艺物理模拟技术中，水力模拟是常用的研究方法，它以流体力学相 似理论为依据，用水或其它透明液体代替金属液注入透明模型以实现对铸造充型 过程的观测分析。但在传统的水力模拟试验中，人们只能凭借观察，对液流状态 进行定性分析，这种非量化的分析方法限制了水力模拟技术在铸造可视化中的应 第1 章绪论 用效果，因而应将流体渊速技术应用到铸造水力模拟试验结果的分析当中。 用于流体测速的技术很多，其中上世纪8 0 年代发展起来的p l v ( p a r t i c a li m a g e v e l o c i m e t r y ，粒子图像测速) 技术是一种有效的二维流场测量方法，具有无干扰、 全场性等优点。p i v 是一种光学测量技术，基本原理是向待测流场中撒播一定量的 微尺度、中性、随踪性好的粒子示踪粒子，然后用照相机摄取流场图像，通 过图像中的粒子像测算待测流场的速度场。但在p i v 技术中由胶片双曝光系统获 得流场图像。图像后处理系统、查询系统很复杂，再加之纠正图像自相关算法所 得位移矢量方向1 8 0 0 - _ 义性等问题，使之显得既复杂又费时。上世纪9 0 年代后随 着激光照明技术、计算机硬件、数字化摄像技术及图像处理技术的发展，p i v 技术 的图像获取、处理手段实现了数字化，d p i v ( d i g i t a lp i v ) 技术应运而生。借助于计 算机强大的运算及图像处理能力，d p i v 技术简化了图像获取、处理及分析过程， 帧间互相关算法消除了位移矢量方向“二义性”问题，而且其很易实现实时测量 显示1 8 , 9 1 。将d p i v 流体测速技术应用到铸造水力模拟试验结果分析，可实现这一 铸造可视化手段由定性分析到定量分析的飞跃。 1 2 1 2 数值模拟技术 数值模拟是指利用一组控制方程及约束方程( 代数或微分方程) 来描述一个 过程的基本参数的变化关系，采用数值方法求解，以获得该过程或过程的某= 方 面的定量认识。 铸造过程虽然复杂，但仍遵循流体力学、传热学、金属凝固学、固体力学等 基本科学规律，这样铸造过程可以抽象为求解液态金属流动、传热、凝固等问题， 就是在给定初始条件和边界条件的情况下，求解流体的运动、能量、连续性方程， 热能传导守恒方程，弹塑性方程等一系列的流体控制方程及约束方程i 埘。数值理 论的发展和计算机技术的运用使方程的求解成为了可能，也催生了铸造计算机数 值模拟这一可视化方法。铸造数值模拟技术可实现铸件成形各个阶段的流场、温 度场、应力场的可视化，并能预测铸件缩孔、缩松、裂纹等缺陷及铸件各部位的 组织。 1 2 1 3x - r a y 在线观测技术 电子监测技术的发展为人们直接观察铸造充型和凝固过程提供了可能，这也 沈阳理工大学硕士学位论文 初步实现了真正意义上的铸造可视化。目前。x r a y 实时观测系统已被用于铸造过 程的实时观测【l l 1 2 ”l 。铸造x - r a y 实时观测技术的工作原理是以x r a y 为光源， 透射浇注系统或铸型，对金属液充型过程进行实时照相，成像显像系统与计算机 相连，以实现对金属液流动行为的实时观测。其与d p i v 测速技术有很大的相似之 处，都属于光学成像检测技术范畴。 1 2 1 4 三种铸造可视化技术各自的优缺点及其相互关系 物理模拟一般而言在时间上和空间上只能获得有限点的测量值，结果一般不 能用外推法，而且模拟的准确性及普遍性依赖于必要的测试手段和模拟的相似条 件。因此，铸造工艺中很多过去难以用物理模拟方法进行研究的非线性问题只能 在计算机上用数值模拟方法获得定量分析。随着基于图像的精密光测量技术d p i v 流体测速技术应用于铸造水力模拟试验结果的处理分析，铸造水力模拟试验及 d p 测速技术结合运用形成了研究铸造充型流场的有效手段。但在实际金属液充 型过程中，由于温度的变化金属液的黏度也在变化，水力模拟试验就很难实现实 时模拟由于黏度的变化而引起的速度场的变化。 铸造数值模拟可以模拟铸件浇注及凝固过程中流场、温度场、应力场的分布 与变化，并可实现各场的耦合模拟，其还可模拟组织的形成生长过程，可实现对 铸件缺陷及机械性能的预测分析。但数理方程有描述不到或求解不精确的地方， 尤其对于一些复杂的大型铸件，用数学模型就难以全面的表达各物理现象的内在 规律；而且金属液的充填过程还伴随着各种各样的不稳定流现象，对这些流动形 态，目前尚缺乏全面描述其过程的理论公式，这需要依赖物理模拟获得对过程的 主要影响因素及缺陷形成机理的认识，才能建立起合理的数学模型。就铸造充型 过程而言，充型流场数值模拟技术由于所涉及的控制方程多而复杂，计算量大，而 且迭代结果易发散，加上自由表面边界问题的特殊处理要求使其难度更大。计算 机数值模拟对由于浇注系统设计不足带来的卷气和夹杂缺陷及复杂铸件显得有些 力不从心，且模拟结果的正确性需要实验验证。 x - r a y 实时观测技术使人们真正的看到了铸造过程，其可以直接观测到浇注过 程中金属液的流动状态及卷气、卷渣等现象，也可观测晶核形成、组织生长的铸 件凝固过程。但x - r a y 所能观测的铸件尺寸和重量是有限的，对于大型复杂铸件 显得无能为力，而且试验成本较高，就目前的应用来看其只能对浇注过程金属液 第l 章绪论 的流动行为的宏观形态进行观溺，尚未实现对充型速度场的定量显示。 因此，只有将上述三种铸造可视化手段有机地结合起来，取长补短，才能真 正地实现可视化铸造：由x - r a y 实时观测或水力模拟试验提供充型流场的边界条 件，初始条件，再运用流体力学的控制、约束方程实现整体数值模拟，实现水力 模拟与数值模拟、x - r a y 实时观测与数值模拟的结合；数值模拟的合理性和可靠性 也要由物理模拟的定量测试结果或x r a y 实时观测结果来检验。 1 2 2 可视化铸造技术三种方法的国内外研究现状及发展趋势 自上世纪9 0 年代开始，d p i v 流体测速技术在各个领域得到了大量运用，如 对风洞、水洞、火焰试验及鸟类、鱼类运动所致流场的测量【1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 1 司。铸造水力 模拟( 物理模拟) 试验是较早用来实现铸造可视化的技术，将d p i v 测速技术应用 于对试验结果的分析，实现了铸造水力模拟由定性分析到定量测算的飞跃。在国 外，美国加利福尼亚大学伯克利分校的d o n g x u 等人较早的( 1 9 9 7 年) 采用该技 术对连续铸造中由浇包尺寸、过滤网的有无、浇嘴位置所引起的液体充型速度场 变化进行了定量分析【1 蚣0 1 ，近来墨西哥1 p n e s i q i e 大学a r a m o s - b a n d c r a s 等人也 运用d p i v 技术对连续铸造的速度场进行了相关研究【2 l l ；在国内，大连理工大学 在2 0 0 2 年前后开始在此方面开展了专项研究【2 2 】，其它关于铸造水力模拟试验的报 道大都处于定性分析阶段【2 3 阳堋。到目前为止，铸造水力模拟试验d p i v 可视化 尚处于起步阶段，相关报道很少。 相比较而言，铸造计算机数值模拟技术起步较早，上世纪8 0 年代后，随着计 算机应用的普及，铸造计算机数值模拟技术便蓬勃的发展了起来，并且取得了丰 硕的成果。在用的商业化铸造数值模拟软件不胜枚举，国外只e s i 公司就开发了 基于有限元的p r o c a s t 、基于有限差分的p a m q u i k c a s t 以及专门用于连续铸造 的c a l c o s o f t 三套商业铸造数值模拟软件，其他还有美国的f l o w 3 d 、德国的 m a g m a s o f t 、英国的s o l s t a r 、日本的s o l d i a 、比利时的v i e w c a s t 等；国内也有高 校、科研单位从事这方面的研究开发，报道较多的模拟软件有华中理工大学的华 铸c a e i n t c c a s t 、沈阳铸造研究所的s r i f c a s t 及清华大学的铸造之星。目前，铸 造行业中的大型企业及科研单位对铸造计算机数值模拟技术的研发与应用较为广 泛，其中p r o c a s t 较为流行【2 7 , 7 8 , 2 9 3 0 3 1 , 3 2 1 。 沈阳理工大学硕士学位论文 英国伯明翰大学铸造中心j o h nc a m p b e l l 等人首先用x - r a y 实时观测技术对浇 注系统设计开展了大量研究 1 3 , 3 3 j ；国内中科院金属所在2 0 0 2 年左右从英国购迸了 一台x r a y 实时监测系统，在此方面也展开了研究应用【5 l l 】；航天部一五九厂张明 波将x - r a y 实时成像系统用于铸造舱段的质量检测【1 2 】。但由于x - r a y 实时观测的 局限性及昂贵的使用成本，其他关于铸造x r a y 实时监测的报道几乎没有。 在铸造工艺优化设计中，针对采用怎样的模拟技术更能真实地反映金属液的 实际充型状态等问题，r i c h a r ds c h u h m a n n 等人将x - r a y 实时观测结果，水力模拟 结果、计算机数值模拟结果进行了对比分析，得到了基本一致的结论 3 4 , 3 5 1 。 在液流速度场研究中，d p i v 测速技术与计算机数值模拟技术已经得到结合运 用，t a k e t o s h io k u n o 等研究者探讨了基于水力模拟的动力学模型流场图像测量技 术 3 6 1 ，他们将流体约束、控制方程的数值求解方法用于对水力模拟试验速度场的 重建，即以水力模拟试验获得的二维速度场为初始值，修正数值解，最终用数值 求解法“算出”三维速度场真实值。n l a n g 等人在 3 7 1 q 目及e h a b a m e s e l h e 等人 在 3 8 e e 均探讨了借助流体连续性方程由二维d p i v 测算结果构建三维流场的方 法。近来，内蒙古科技大学的王波等人对铸造水力模拟试验与数值模拟试验结果 进行了对比研究1 3 9 1 。 考虑到d p i v 技术与x - r a y 实时观测技术的相通性，d p i v 技术中图像测速的 基本方法也可应用于对x - r a y 实时观测所获图像的处理，实现量化观测，已有研 究者做了这方面的尝试，韩国浦项科技大学g u kb a ek i l n 等入利用d p i v + x - r a y 测速技术对封闭管道内的血液流动行为进行了研究 4 0 1 。 关于铸造可视化技术，各种可视化手段结合运用应改是总的发展趋势：目前 已具备水力模拟d p i v 测速技术对于复杂铸件浇注过程中液体流动行为可视化的 基础，其即可独立用以研究金属液充型速度场，也可为数值模拟提供流场边界值， 初始值，或对数值模拟结果进行间接验证；对于体积小结构简单的铸件，x - r a y 实时观测也能有效地验证数值模拟结果并为其提供判据；计算机数值模拟可以实 现各种尺寸的铸件成形过程中各种现象的综合模拟，而且无需经历繁杂费时的试 验过程，因而只要通过水力模拟试验或x - r a y 实时观测保证了其准确性，其应为 最高效的铸造可视化手段。 第l 章绪论 1 3 课题研究内容 1 3 1 铸造水力模拟试验可视化软件整体软件设计 基于已有的内部场及表面场两独立软件模块进行整合设计，设计一个主控程 序，完成铸造水力模拟试验计算机可视化整体软件平台。设计工作主要包括主控 界面设计、文件管理模块设计、程序运行参数设置模块设计、帮助模块设计、通 信模块设计及结果显示模块设计等几大部分。 1 3 2 铸造水力模拟试验模拟介质黏度调整试验 分别以水、质量分数为0 0 5 、o 1 5 、0 2 5 的聚丙烯酰胺水溶液作充型介 质进行铸造水力模拟黏度调整试验，通过对浇注系统流量系数、液流雷诺数、液 体充型状态、液体充型速度场的对比分析，进一步探讨铸造水力模拟试验模仿真 实浇注过程的准确性问题。 1 3 3 示踪粒子散播试验 分别以示踪粒子浓度为5 0 0 个c m - 31 0 0 0 个c m - 3 的0 0 5 聚丙烯酰胺水溶液 为模拟介质进行充型试验，通过对比d p i v 处理结果中速度矢量的数量，初步探讨 示踪粒子散播浓度对d p i v 测速技术空间分辨率即精确性的影响。 。 1 3 4 铸造水力模拟结果与数值模拟软件模拟结果对比分析 l 、列举一个铸造水力模拟试验应用示例，通过对示例中模拟充型流场形态及 大小的分析，预测分析铸件浇注过程中可能由金属液充型流动行为所引起的最终 铸件缺陷及不足。 2 、针对厚度分别为2 0 c m 及6 0 c m 的薄、厚两板件进行铸造数值模拟，并将 模拟结果与水力模拟结果进行对比，分析各自的优缺点。 沈阳理工大学硕士学位论文 第2 章整合软件的设计 在此以前，已完成了基于图像匹配的液体内部二维速度场运算程序、基于边 缘检测的液体自由表面提取程序，两者为可独立运行的子系统，皆已应用到对铸 造水力模试验结果的分析当中，取得了较好的效果h ，4 l , 4 2 , 4 3 。本课题的内容之一是 基于已完成的内部场及表面场两独立软件模块实现铸造水力模拟可视化软件平台 的整体设计，设计一个主控程序，提供一个统一的数据管理界面，并实现对各功 能模块的调用：为了便于结果分析，补充设计内部场与表面场结果叠加显示独立 模块。设计目标、内容、过程见软件需求分析、系统设计、编码实现等小节。 2 1 需求分析 软件需求分析的任务是准确地回答待开发系统做什么并给出对软件的功能要 求和性能要求，软件需求分析及相应文档是软件后期开发的基础】。对于一个大 型的工程软件来说，需求分析的过程是一个从模糊概念出发，经过调查分析，综 合评价，到逐步清晰的过程，并在此基础上确定系统的逻辑模型。 需求分析过程是一个将所要解决的问题由宏观了解到细节把握的过程，其所 要了解的内容如图2 1 所示。 问题域 问题 行为( 功能) 图2 1 软件需求分析的内容及流程 应于软件子系统 应于子系统的构件 应于构件接口 第2 章整合软件的设计 一个软件系统( 记为s ) 涉及面可能很广，可被划分为不同的问题域( 记为d ) ， 每个问题域对应于一个软件子系统( 模块) 。 s = d l d 2 ，d 3 d 。) 问题域d i 由若干个问题( 记为p ) 组成，每个问题对应于子系统中的一个构件。 d i = p l ，p 2 ，p 3 ，p 。 问题p j 含有若干个行为( 或称作功能，记为f ) ，每个行为对应于构件中的接口。 p j = f l ，f 2 ，f 3 ，f k 根据现行软件系统的通用要求、铸造工艺水力模拟试验计算机可视化的特殊 要求以及已经完成的工作，整合软件应包括如下几大模块：主控程序、文件管理 模块、程序运行参数设置模块、内部场模块( 已开发) 、表面场模块( 已开发) 、结 果显示模块、帮助模块。 考虑到铸造水力模拟试验结果处理过程中内部场与表面场算法的不同及其可 独立运用性，先前的开发者已对内部场模块和表面场模块实现了独立开发，成为 了两个独立运行的软件系统，为了实现对试验结果图片处理的统一性，就需要由 第三方软件向他们传递统一的运行参数，此应为要设计的主程序的主要功能之一。 为了实现这种控制机制，内存共享机制是一种最有效的方式，因而除上述几大功 能模块之外，还应独立开发一个充当主程序、内部场子程序、表面场子程序、结 果显示子程序等模块间通讯员角色的内存共享管理模块。下面详细的说明各功能 模块所要完成的工作( 问题域d ) 及实现方法( 行为f ) 。 l 、主控程序主控程序主要功能应是搭载各功能模块，实现独立模块问通 信，扮演主调度角色。主控程序界面上包含对各功能模块的调用控件；内建目录 选择、目录内容显示、文档类型筛选控件；搭载对图片文件进行预览及相关信息 显示的控件。 2 、文件管理模块文档管理模块应实现对相关用户文件的通用管理，例如对 文件的选择、重命名、复制粘贴、删除、预览、信息显示等操作。 3 、程序运行参数设置模块参数设置模块实现主控程序及各独立子程序运行 时通用参数的预定义及初始化，根据参数分类，再划分为工作目录设置模块与图 像处理参数设置模块两部分。工作目录设置模块设定输入输出目录位置，图像处 理参数设置模块保证内部场模块与表面场模块处理区域及结果可视化输出度量的 沈阳理工大学硕士学位论文 一致性。 4 、内部场模块( 已开发) ：用互相关算法获得液体内部二维速度场。 5 、表面场模块( 已开发) ：实现对液体自由表面的提取与跟踪。 6 、结果显示模块结果显示模块实现对内部场子程序与表面场子程序处理 结果的可视化输出，以便于对铸造水力模拟试验充型过程内部速度场与表面速度 场的整体分析研究。此模块也应为独立运行模块，具有图像缩放等功能。 7 、帮助模块帮助模块是软件系统的必要组成部分，实现对用户的友好支 持，介绍软件的功能、使用方法及操作说明。 2 2 系统设计 系统设计的主要工作是将上述的需求分析转化为逻辑软件系统。系统设计的 优劣决定着软件系统的质量。系统设计主要包括体系结构设计、模块设计、数据 结构与算法设计、用户界面设计等四方面内容。 在进行系统设计过程中力求做到了时时关注软件的正确性与精确性、性能与 效率、易用性、可理解性与简洁性、可复用性与可扩充性等质量因素，并在编码 过程中逐一地进行了测试分析。 2 2 1 体系结构设计 软件系统体系结构犹如骨架，是软件系统中最本质的东西。体系结构是对复 杂事物的一种抽象。体系结构在一定的时间内应保持稳定，如当需求发生变化时， 无需修改软件的体系结构就可实现功能的调整补充，这样的系统设计才算是成功 的，即在系统设计时要根据可能出现的新要求保证其有良好的可扩充性。综合体 系结构设计的上述要求及实际需要，铸造水力模拟试验可视化系统在设计的过程 中采用了模块化的设计方法，以保证整个软件系统的可扩充性，同时考虑到工作 环境及硬件平台的限制( p c 机平台) ，将其设计成了单机运行系统，因而采用了 如图2 2 所示的体系结构。 第2 章整合软件的设计 图2 2 铸造水力模拟可视化软件体系结构 图2 2 中实线箭头表示数据直接依存关系，虚线箭头表示数据源与目的地的间 接联系，其中主控界面与内存共享管理模块共同构成主控程序，用来搭载各功能 模块并控制实现各模块之间的数据通信。内部场与表面场处理程序保持其独立性， 二者闻参数协调通过内存映射机制( 内存共享管理模块) 来实现。工作目录设置 模块与处理参数设置模块同为程序运行参数设置模块子模块，前者设置输入输出 的目标，后者用以进行内部场、表面场及结果显示程序处理参数的预定义及初始 化，两种行为都由内存共享模块向外广播；结果显示模块获取内部场及表面场子 程序处理结果实现图形化输出，也通过内存共享模块获得数据源。文件管理模块 与帮助模块是现行应用程序的普遍组成，支援程序的易用性。 内存共享模块是各独立模块的联结中枢，实现各模块间数据共享；主程序、 内部场子程序、表面场子程序、结果显示子程序为独立运行子系统；帮助模块、 文件管理模块、工作目录设置模块、处理参数设置模块为主控程序的辅助模块。 2 2 2 数据结构与算法设计 数据结构与算法分布在体系结构和模块中，如同血脉和神经，将协调系统的 各个功能。要想编写出高效率的应用程序，数据结构与算法是一个首要问题。 本铸造水力模拟可视化软件是基于p c + m i c r o s o f tw m d o w s 平台开发的。p c 机 硬件平台所能搭载的c p u 的运算速度以及内存的容量都是很有限的，m i c r o s o r 沈阳理工大学硕士学位论文 w m d o w s 系列p c 机操作系统对硬件的管理效率及对多线程技术的支持也相对欠 缺，而铸造水力模拟可视化是由处理试验过程图像来实现的，图像处理运算对c p u 的速率、内存容量、操作系统的效率及稳定性、操作系统多线程技术支持情况等 要求却十分苛刻。因而在开发软件的过程中针对程序的运行速率、精确性做了大 量的关于数据结构与算法设计的工作，权衡系统时间与资源空间两方面的标准， 根据目标系统的需求及其所要运行环境的性能，在两者间做了合理的折中。 2 2 2 1 算法概述 铸造水力模拟可视化软件算法选择及设计集中在内部场与表面场两大模块的 设计当中，皆为图像处理算法。 内部场模块中通过对试验过程记录图像中的运动目标( 液流) 进行运动估算 来获得液流的速度场。运动估计算法可归结为图样匹配算法与递归算法两大类。 图样匹配算法假定一个图块中的所有像素做同一运动，所以运动估计可以通过在 连续两帧图像中搜索最佳匹配得到。递归算法原理为在连续两帧图像中所反映出 来的物体位移梯度方向上做迭代运算，最后收敛于一个运动估计矢量，使其最能 反映两帧图像中像素数据的变化。基于这两种算法衍生出多种实用算法，如宏块 匹配法、像素递归法、相位相关法、全局运动估计算法等。宏块匹配法因其算法 简单有效，以及易于大规模集成而在视频编码中得到广泛应用【4 5 j ，考虑到开发平 台的性能限制及实际应用需求，内部场模块开发过程中采用了此种算法。按照一 定的规则将一幅图像分割成若干小块，这些小块就叫宏块，宏块匹配是在第二帧 图像中寻找与第一帧图像中最相匹配的宏块，“寻找”的规则便是宏块匹配算法。 宏块匹配算法的核心内容主要包括搜索策略、匹配准则两个方面。 图像宏块匹配算法中有多种搜索策略，其中全搜索算法精度最高，但复杂程 度也很高m 。为了减少全搜索算法的复杂度，出现了很多改进算法，如三步搜索 法 4 7 1 ，共轭方向搜索法h 射，二维对数搜索法【4 9 】，交叉搜索法【5 0 1 ，动态搜索窗口调 整搜索法岱i j 等。开发过程中由于侧重铸造水力模拟可视化的精度要求，选择了全 搜索算法，采用快速离散傅立叶变换来提高软件的运算速度。块匹配的准则主要 有均方误差准则( m s e ) 、绝对平均差准则( m a d ) 、归一化互相关函数 n c c f f n o r m a l i z e dc t o s s - c o r r e l a f i o nf i m c t i o n ) 、最大误差最小函数 m 正) 附】等。开发 过程中实现了上述所有算法。m a d 及n c c f 算法准则定义分别见式( 2 一1 ) 、式 第2 章整合软件的设计 ( 2 - 2 ) ，式中肇( 掰，彩为第毒帧图片中以( 巩吣为中心的查询区域内的图像信号，m 、 n 分别为在x ，y 方向上的迭代次数。 帆一( f _ ，) 2 击萎善阪( 棚朋一墨。伽+ 如+ d i 2 1 & ( 所，力s 一。( 肌+ j ，疗+ d n 峨f q 。n = ( 2 2 ) 表面场模块主要实现对铸造水力模拟充型过程自由表面的提取与跟踪。自由表 面的提取通过圈像边缘检测来实现，检测过程中由预定义的边缘检测算子检查图像 中每个像素的邻域并对灰度变化率进行量化，大多使用基于方向导数掩模求卷积的 方法。常用边缘检测算子有r o b e r t 算子、s o b e l 算子、高斯拉普拉斯算子。自由 表面的提取就是要找到一条将图像明确分割开来的界线，但图像的多义性和复杂性一 致使许多分割工作无法由计算机自动完成，人为分割又存在工作量大与定位不准确 的难题，因此，人们提出了一些人机交互方法，以利用各自的优势来实现对目标轮。 廓的快速准确定位。r o b e r t 边缘提取算法的公式为闻： g ( x ，) ，) ： 【7 砑一歹i ；丽】2 + 【7 i ；i ；：i j 万一7 i 丽】2 v 2 - 。( 2 - 3 ) r 其中厂( 墨y ) 是具有整数坐标的输入图像信号，平方根运算使该处理类似于在 人类视觉系统中发生的过程。 2 2 2 2 主程序数据结构设计 主程序设计过程中没有涉及到专项的算法开发，只针对文件管理及各子程序 间数据共享的需要进行了如下两方面的数据结构设计：文件管理类；内存文件映 射共享类。 l 、文件管理类 文件管理的主要功能是向用户提供操做系统文件目录及其所含文件的接口， 以使用户条理快速地操作管理各类数据文件。一般的软件设计平台都会以一定的 方式封装操作系统s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 中的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 函数及数据结构，以提供相应的文件管理类库，如m i c r o s o f t 沈阳理工大学硕士学位论文 v i s u a lc 卜 系列开发平台就提供一个名为c h l e d i a l o g 的对话框式文件操作类。但 有些时候，软件开发平台提供的类并不能确切地满足用户的需求，用户就得自己 设计满足需求的类。譬如，拿c f i l e d i a i o g 类来说( 包括其派生类) ，其只适合用 来实现文件保存打开过程中的文件管理，其模态对话框( m o d e ld i a l o g ) - r 作模 式不能满足本铸造水力模拟可视化软件主控程序的需求，因而在主程序模块设计 过程中模仿c f i l e d i a l o g 类自行设计了文件管理类。 自行设计文件管理类根据主体软件界面构思( 2 2 4 节将有阐述) 被封装到一 个对话框( c d i a l o g ) 派生类里，预定义为c d i g ，文件管理主要有如下几方面操作 构成： ( 1 ) 目录选择采用下拉列表框控件，预定义为c d i r e c t o r y c o m b o ( 2 ) 目录内容显示采用列表视图控件，预定义为c f i l e l i s t ( 3 ) 文件类型选择采用下拉列表框控件，预定义为c f i l e t y p e c o m b o ( 4 ) 文件名输入采用编辑框控件，预定义为c f i l e n a m e e d i t 以上几个类是图形化文件管理中的主体构成，它们分别又封装了相应的行为 与数据成员，如响应选择、更新、双击等事件的函数；单个目录或文件项具有图 标、路径、名称等信息，为了便于管理也封装为类，预定于为c i t e m i n f o 。 2 、内存文件映射共享