国内铸造CAE论文现状的文献计量学统计分析

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  CAE(Computer Aided Engineering)又称为数值模拟、计算机辅助工程等。应用铸造 CAE 对铸造工艺进行模拟和优化是避免铸造缺陷、提高工艺出品率从而获得高质量、低成本铸件的有力手段。铸造CAE 模拟开始于 20 世纪 60 年代的美国,在国内发展也比较迅速[1].本文基于文献计量学统计和分析了国内铸造 CAE 论文的现状。

  1 资料来源与方法应用文献计量学的基本定律,对中国知网进行检索,整理后获得的文献作为获得本次研究的资料。

  1.1 文献计量学

  文献计量学起源于统计书目学,被认为是揭示人类文明进程的定量研究手段。目前有 4 个分支:文献计量学、科学计量学、信息计量学、网络计量学[2].

  1.1.1 概念文献计量学是以文献量、作者数、词汇数等为计量对象,用数学和统计学的方法,定量地分析一切知识载体的交叉科学。文献计量学可以提高科技人员阅读本专业文献的效率从而有效地利用科技情报,减少科研工作的重复和浪费。

  1.1.2 基本定律
  
  1)布拉德福定律布拉德福定律揭示,某一学科,总是有少数核心刊物大量发表相关文献,其他大量刊物各自发表少量文献。布拉德福定律用于研究某学科的发展特点以及学科之间的交叉影响和相互渗透关系,并以此确定某些新学科的生产点。

  2)齐普夫定律齐普夫定律的内容是,在一篇足够长的文献中,将词汇按其出现的频次递减地排序,那么序号 r 和其出现频次 f 之积近似地为一个常数。该定律对编制词表、制定标引规则、进行词汇分析与控制、分析作者着述特征具有一定意义。

  3)洛特卡定律洛特卡定律描述的是文献作者人数与其所着论文之间的关系,用以评价文献作者的贡献。用数学表达式为,发表 x 篇论文着者的频率 (fx)与其论文的篇数 x 之间的关系为,(fx)=C/X2,C 为常数。

  1.2 中国知网

  中国知网 CNKI(China National Knowledge In-frastructure,中国国家知识基础设施)是中国建设的以实现全社会知识资源传播共享与增值利用为目标进行的数据库。中国知网着力于大规模集成整合知识信息资源,建设知识资源互联网服务平台和深度开发利用平台。用户可以进行各类论文、工具书、专利、标准、行业知识、服务平台、外文文献的综合检索。经过数年的持续建设,目前在业界享有较高的声誉。

  科研人员常用的中国知网内容主要有:

  1)中国知识资源总库收录了中国学术期刊(光盘版)电子杂志出版社产品的参考文献。包括:中国期刊全文数据库、中国博士学位全文数据库、中国优秀硕士论文全文数据库、中国重要会议全文数据库、重要报纸、年鉴、图书等。

  2)搜索引擎CNKI 搜索引擎提供主题、篇名、关键词、作者、第一作者、摘要、期刊来源、基金等方式。CNKI 搜索基于智能化搜索,用户输入词语,搜索引擎智能利用联想、比较、判断、推理等手段,综合考察文献内容和外延特征的检索词的相关性,对文献排序后输出。支持布尔运算符以及二次搜索。

  3)《中国工具书网络出版总库》《知网工具书库》集成了 200 多家知名出版社的6000 余部工具书,包括语文词典、双语词典、专科辞典、百科全书、图录、表谱、传记、语录、手册等。内容涵盖哲学文学艺术社会科学文化教育、自然科学、工程技术、医学等各个领域。

  1.3 研究用资料

  建立检索式对中国知网(1980 年 1 月---2014年 12 月)的“中国知识资源总库”检索。检索式是指搜索引擎理解和运算的查词串,由关键词、逻辑运算符、搜索指令(搜索语法)等构成。本次研究中检索用的检索式有,主题 =“铸造 and CAE”、“铸造 and 数值模拟”、“铸造 and 计算机”、“铸造工艺 and 优化”等。

  一共获得文献 2500 余篇,利用 E-learning 的批量下载功能全部下载。这些论文可分为三大类:

  1)铸造 CAE 软件开发研究。

  2)应用铸造 CAE 进行铸造工艺模拟与优化。

  3)软件推介、人物专访、CAE 科普、综述。

  本次研究只涉及前 2 类。对下载后的文献逐一浏览,剔除掉不属于本次研究范围的文献,一共获得了 2300 余篇论文作为本次研究的资料,其中第二类---应用铸造 CAE 进行铸造工艺模拟与优化的论文,占了绝大部分。对此 2300 余篇论文建立数据库,应用 SQL 语言进行基于文献计量学的统计。

  2 结果与分析

  铸造 CAE 论文具有类似的篇章结构:生产任务、铸造 CAE、生产验证。部分论文缺少验证环节,至少在逻辑上是缺乏说服力的。

  2.1 概况

  2.1.1 论文的内容铸造 CAE 论文在研发和应用的领域包括流动场、温度场、应力场、组织模拟等。

  1)流动场将充型过程视为纯流体流动,不考虑出现的固体对流动的影响。做纯流动场分析时,可以分析流动过程中的速度场合压力场,预测卷气、夹杂、对铸型的冲击力。

  2)温度场做温度场分析时,分析充型过程中金属液与铸型温度变化,预测冷隔和浇不足、缩孔缩松等铸造缺陷。这一部分技术在国内外铸造 CAE 软件中发展最成熟、应用最广泛。

  3)应力场应用热 - 固耦合模拟在铸件凝固过程中,由于各处冷却速度不均匀与砂型的阻碍作用造成的热应力,引起的变形或裂纹。

  4)组织模拟凝固过程的模拟最终目的是要获得固 / 液界面推进过程在时间和空间上的描述,进而预测晶粒微观组织的特性,据此控制并优化铸件的组织分布和机械性能。

  2.1.2 论文的结构通常,一篇应用铸造 CAE 进行工艺模拟与优化论文的主干结构包括:

  1)生产任务包括零件的名称、材质、结构、批量大小等。分析铸造生产的特点与难点,指出容易产生铸造的缺陷。
  
  提出 2-3 种工艺方案备选。

  2)铸造 CAE 分析建立模型。对铸件和浇冒系统进行三维造型。进行网格划分。网格划分时综合考虑运行时间与计算精度。

  求解。设置物性参数、边界参数、计算参数。一般的,凝固过程中的温度场模拟计算时间较短,而流动场、应力场、组织模拟计算时间比较长。

  后处理。对用户关心的参数进行提取,判断是否会产生铸造缺陷,是否可以进一步提高工艺出品率,最终确定铸造生产中采用的工艺方案。

  3)生产验证提出生产关键环节控制措施,组织铸造生产。以产品解剖图或者无损检测结果作为验证铸造工艺适用与否的依据。
  
  2.2 统计结果

  对 2300 余篇论文分别统计了年份、期刊、作者、机构、关键词等。由于担心统计的不完全,所以统计结果只列出先后顺序,没给出具体数值。

  2.2.1 按年份统计按年份统计的铸造 CAE 论文数目由高到低见表 1.【1】

  
  前 5 名的年份中,发表的论文数比较接近,都在每年 190-250 篇左右。第 6-10 名年份每年文献在80-150 篇之间。这说明最近 5 年来,铸造 CAE 论文有了大幅的增加。

  2.2.2 按期刊排序按期刊统计的铸造 CAE 论文数目由高到低见表 2.【2】

  
  其中,前 4 种刊物发表的论文在 1840 篇左右,大致占统计数据的 80%左右。这几种刊物也是中国铸造的主要专业杂志。统计结果符合文献计量学中的布拉德福定律。该定律指出,某学科的文献总是大量地集中在一定数量的期刊上,而其余的文献则分散在其他大量相关的期刊上。

  2.2.3 按作者与机构排序按作者统计的铸造 CAE 论文数目由高到低见表 3.【3】

  
  以上统计包括他们作为第一作者,也包括课题组成员发表论文时他们的其他作者顺序。

  这十位老师集中在三家高校。其中,柳百成、熊守美、黄天佑、康进武四位老师供职于清华大学,周建新、刘瑞祥、陈立亮(已去世)、廖敦明四位老师供职于华中科技大学,米国发、王锦永二位老师供职于河南理工大学。

  按机构统计的铸造 CAE 论文数目由高到低见表 4.【4】
  

  清华大学开发了铸造 CAE 软件铸造之星FT-Cast,华中科技大学开发了华铸 CAE/InteCast.清华大学与华中科技大学发表的铸造 CAE 论文集中在软件研发方面,体现了这两家机构在国内铸造CAE 研发的地位。其余单位的论文主要是运用铸造CAE 软件对铸造工艺进行优化方面,也有少量研发论文。

  从表 3 和表 4 的机构和作者两方面统计,前 10位都是高校和高校教师,没有一家企业和一个企业人员进入前 10.

  2.2.4 按关键词排序按关键词统计的铸造 CAE 论文数目由高到低见表 5.【5】   

  
  从统计结果来看,目前国内铸造CAE论文主要集中在凝固过程的温度场模拟用以判断缩孔缩松缺陷产生的可能性。流动场也有研究和应用,但应力场和组织模拟方面处于起步研究阶段,实际应用效果尚不明显表4也说明了铸造工作者在写作铸造CAE类论文时,选取关键词没有统一的标准,如用数值模拟、工艺优化、CAE、铸造CAE的。本次研究在文献的检索方面花费了大量时间,也缘于此。笔者呼叮,出版界和中国铸造标准化协会尽快在将铸造论文关键词的选取纳人标准化工作之中。

  2.2.5其他由于多方面的原因,本次研究没有按论文研究的铸件材质、铸造方法、论文的引用频次、参考文献、作者年龄、地区和区域、基金等进行统计
  
  2.3讨论
  
  铸造CAE要加强验证环节,加强流动场和应力模拟以及组织模拟的研究,加强铸造教育培养更多的铸造技术力量
  
  2.3.1铸造CAE结果的验证铸造CAE研发和应用
  
  论文必须要有验证正确性的环节。如前所述,大多数论文以产品解音图或者无损检测结果作为验证铸造工艺与铸造CAE的根据。但是,部分论文最后只有产品外观图,或者根本不提及验证。更甚或有的论文,在比较几种工艺方案时,某个工艺方案明显不符合铸造工艺设计基本原则,根据经验就可以判断肯定会产生铸造缺陷的作者用铸造CAE模拟后决定舍弃、不用这个方案。这些论文至少在逻辑上是缺乏说服力的,使得整篇论文成了铸造CAE软件操作技巧的展不,难以让人相信铸造CAE到底在多大程度上指导了生产铸造CAE过程中,边界参数的设置是一个难点。即使将铸件予以了解音」,也只是验证了铸造CAE模拟了流动和凝固结束后铸件会或者不会产生铸造缺陷,这其实也只是定性。也就是说,对某个时刻的充型前沿、凝固前沿没有进行定量验证,也就无法得知边界参数的设置是否正确,阻碍了工艺人员进一步提高工艺出品率的努力。边界参数的测定属于铸造反问题的研究领域
  
  2.3.2发展趋势
  
  目前,基于“瞬时充满,同时凝固”的铸造温度场模拟已经比较成熟。笔者所在羊位购买了正版国产某铸造CAE软件,在应用该软件为用户解决技术问题过程中,发觉该软件用于预测铸钢件缩孔缩松的大小和位置判断非常准确。由于铸铁可能存在石墨化膨胀所以预测铸铁件的缩孔缩松大小和位置有时偏差较大。流动场和应力模拟运算的速度由于非常缓慢、边界条件设置复杂,尚不能为用户提供技术服务。加强流动场和应力模拟以及组织模拟的研究应该是铸造CAE软件研发下一步工作的重点,部分学者已经进行了这方面的工作
  
  2.3.3铸造教育
  
  目前国内应用铸造CAE软件上要还集中在高校,企业人员发表铸造CAE方面的论文还很少。造成这种现象的原因是多方面的。从企业方面来说,主要有 2 个
  
  1)铸造 CAE 软件分材质、铸造方法出售,总体价格偏贵。而模拟过程的物性参数和边界参数的设置很难,到底铸造 CAE 结果能在多大程度上指导生产,企业主处于不相信铸造 CAE 结果的状态,导致老板投资时犹豫不决。

  2)铸造 CAE 软件不通用,企业没有能熟练操作铸造CAE 软件的人员。铸造从业人员本身没有接受铸造 CAE 培训,甚至没有接受三维造型基本训练,参数的设置更是困难重重。导致了短时间不容易掌握软件操作方法,技术人员也向老板建议不购入这软件。

  笔者曾对一些期次的《铸造》、《铸造技术》、《热加工工艺》、《特种铸造及有色合金》等铸造专业杂志进行不完全统计,这些铸造专业刊物 90%左右的论文作者来自高校,企业的人员很少。这显示了目前铸造技术力量主要在高校, 企业里铸造技术力量还比较薄弱。其实,工程创新是创新的主战场。工程人员在现场,理应有更多的经验值得推广[3].自从 1998 年国家本科目录改革以来,传统的高校纷纷将铸造改成了材料成型与控制,学生在校期间要学习铸造、锻压、焊接等专业的知识,相当于 4 年时间要接受原来3 个专业的知识和技能,按宽基础培养的本科生生却不一定能适应企业的需要。培养专业硕士学位可以有效地避免这个问题[4].

  2.3.4 铸造 CAE 软件本次研究用的部分
  
  论文对所使用的三维造型软件和铸造 CAE 软件语焉不详。但从论文截图界面可以看出,主要的造型软件有 SolidWorks、UG、Pro/E(不分先后)等。铸造 CAE 软件主要有:ProCast、AnyCasting、Magma(不分先后)。国产软件的以华铸CAE 为多。也有使用大型通用有限元软件 ANSYS(包括经典版本和 WorkBench 版)的,应用通用软件对操作者要求更高。

  一些论文中没有提及所使用的三维软件和铸造CAE 软件名称,主要是出于正版软件版权的考虑。

  据笔者了解,部分国外相关软件公司已经或者即将成立法务部门,着手追究中国应用盗版软件发表论文、申报课题等事宜,需要引起各位使用者的高度注意。

  3 结束语

  由于金属液充型过程与凝固过程中的不可捉摸性,“睁眼造型、闭眼浇注”一直以来是铸造生产的现实,应用铸造 CAE 模拟铸造工艺方案可以有效地避免这个缺陷。国内首次基于文献计量学综述了目前国内铸造 CAE 文献,进行统计与讨论,指明了发展方向。

  文献计量学的基本定律和规律,可以用以指导CAE 文献的研究,为铸造科研者选定科研方向提供方向指导。

  [参考文献]

  [1]张国俊,孙志平,邹丽艳。铸造过程数值模拟的应用与展望[J].热加工工艺,2010,39(21):61-64
  [2]高嵩。对文献计量学研究的一些看法[J].情报理论与实践:1999,22(02):75-77
  [3]李伯聪。工程创新:突破壁垒和躲避陷阱[M].杭州:浙江大学出版社,2011
  [4]高彦斌。全日制专业学位硕士研究生职业素质培养[J].高等建筑教育:2015(01):44-46

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