procast在鑄造中的應用

對于我們學鑄造專業(yè)的學生來說，掌握幾款鑄造方面的軟件是很有必要的，有了一定的軟件基礎在以后的鑄造設計、模擬中都是很有用的。下面介紹下ProCAST軟件在鑄造中應用。一、概述ProCAST是為評價和優(yōu)化鑄造產品與鑄造工藝而開發(fā)的專業(yè)CAE系統(tǒng)，借助于ProCAST系統(tǒng)，鑄造工程師在完成鑄造工藝編制之前，就能夠對鑄件在形成過程中的流場、溫度場和應力場進行仿真分析并預測鑄件的質量、優(yōu)化鑄造設備參數(shù)和工藝方案。ProCAST可以模擬金屬鑄造過程中的流動過程，精確顯示充填不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置以及殘余應力與變形，準確地預測縮孔、縮松和鑄造過程中微觀組織的變化。作為ESI集團熱物理綜合解決方案的旗艦產品，ProCAST是所有鑄造模擬軟件中現(xiàn)代CAD/CAE集成化程度最高的。它率先在商用化軟件中使用了最先進的有限元技術并配備了功能強大的數(shù)據(jù)接口和自動網格劃分工具。全部模塊化設計適合任何鑄造過程的模擬；采用有限元技術，是目前唯一能對鑄造凝固過程進行熱－流動－應力完全耦合的鑄造模擬軟件；高度集成。二、發(fā)展歷程

Procast自1985年開始一直由位于美國馬里蘭州首府Annapolis的UESSoftware進行開發(fā)，并得到了美國政府和諸多研究機構的大力資助。為了保證模擬的精度，Procast一開始就采用有限元方法作為模擬的技術核心。1990年后，位于瑞士洛桑的CalcomSA和瑞士聯(lián)邦科技研究院也加入了Procast部分模塊的開發(fā)工作，基于其強大的材料物理背景，Calcom在Procast的晶粒計算模塊和反求模塊開發(fā)上貢獻良多。2002年，Procast和CalcomSA先后加入ESI集團，并重新組建為ProcastInc.(美國馬里蘭州)和CalcomESI(瑞士洛桑)。ESI也重新整合了其原有的熱物理模擬隊伍如PAM-CAST和SYSWELD，這樣Procast（有限元鑄造仿真），PAM-CAST（有限差分元鑄造仿真）,Calcosoft（連續(xù)鑄造仿真）和SYSWELD（熱處理與焊接模擬）一起組成ESI完整的熱物理綜合解決方案。三、適用范圍砂型鑄造、消失模鑄造;高壓、低壓鑄造;重力鑄造、傾斜澆鑄;熔模鑄造、殼型鑄造;擠壓鑄造;觸變鑄造、觸變成型、流變鑄造。由于采用了標準化的、通用的用戶界面，任何一種鑄造過程都可以用同一軟件包ProCASTTM進行分析和優(yōu)化。它可以用來研究設計結果，例如澆注系統(tǒng)、通氣孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。實踐證明ProCASTTM可以準確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程?？梢跃_地計算冷卻或加熱通道的位置以及加熱冒口的使用。四、材料數(shù)據(jù)ProCASTTM可以用來模擬任何合金，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。ESI旗下的熱物理仿真研究開發(fā)隊伍匯集了全球頂尖的五十多位冶金、鑄造、物理、數(shù)學、計算力學、流體力學和計算機等多學科的專家，專業(yè)從事ProCAST和相關熱物理模擬產品的開發(fā)。得益于長期的聯(lián)合研究和工業(yè)驗證，使得通過工業(yè)驗證的材料數(shù)據(jù)庫不斷地擴充和更新，同時，用戶本身也可以自行更新和擴展材料數(shù)據(jù)。模擬分析能力

縮孔、裂紋

裹氣、沖砂

冷隔、澆不足

應力、變形

模具壽命

工藝開發(fā)及可重復性

ProCAST幾乎可以模擬分析任何鑄造生產過程中可能出現(xiàn)的問題,為鑄造工程師提供新的途徑來研究鑄造過程,使他們有機會看到型腔內所發(fā)生的一切,從而產生新的設計方案。其結果也可以在網絡瀏覽器中顯示,這樣對比較復雜的鑄造過程能夠通過網際網絡進行討論和研究。

縮孔

縮孔是由于凝固收縮過程中液體不能有效地從澆注系統(tǒng)和冒口得到補縮造成的。ProCAST可以確認封閉液體的位置。使用特殊的判據(jù)，例如宏觀縮孔或Niyama判據(jù)來確定縮孔縮松是否會在這些敏感區(qū)域內發(fā)生。同時ProCAST可以計算與縮孔縮松有關的補縮長度。在砂鑄中，可以優(yōu)化冒口的位置、大小和絕熱保溫套的使用。在壓鑄中，ProCAST可以詳細準確計算模型中的熱節(jié)、冷卻加熱通道的位置和大小，以及溢流口的位置。

由于冒口補縮不足而導致了很大的內部收縮缺陷

裂紋

鑄造在凝固過程中容易產生熱裂以至在隨后的冷卻過程中產生裂紋。利用熱應力分析，ProCASTTM可以模擬凝固和隨后冷卻過程中產生的裂紋。在真正的生產之前，這些模擬結果可以用來確定和檢驗為防止缺陷產生而嘗試進行的各種設計。

裹氣

由于液體充填受阻而產生的氣泡和氧化夾雜物會影響鑄件的機械性能。充型過程中的紊流可能導致氧化夾雜物的產生,ProCAST能夠清楚地指示紊流的存在。這些缺陷的位置可以在計算機上顯示和跟蹤出來。由于能夠直接監(jiān)視裹氣的運行軌跡，從而使設計澆注系統(tǒng)、合理安排氣孔和溢流孔變得輕而易舉。

沖砂

在鑄造中，有時沖砂是不可避免的。如果沖砂發(fā)生在鑄造零件的關鍵部位，那將影響鑄件的質量。ProCAST可以通過對速度場和壓力場的分析確認沖砂的產生。通過虛擬的粒子跟蹤則能很容易確認最終夾砂的區(qū)域。

冷隔及澆不足

在澆注成型過程中，一些不當?shù)墓に噮?shù)如型腔過冷、澆速過慢、金屬液溫度過低等都會導致一些缺陷的產生。通過傳熱和流動的耦合計算，設計者可以準確計算充型過程中的液體溫度的變化。在充型過程中，凝固了的金屬將會改變液體在充型中的流動形式。ProCAST可以預測這些鑄造充型過程中發(fā)生的問題，并且可以隨后快速地制定和驗證相應的改進方案。

壓鑄模壽命

熱循環(huán)疲勞會降低壓鑄模的使用壽命。ProCAST能夠預測壓鑄模中的應力周期和最大抗壓應力，結合與之相應的溫度場便可準確預測模具的關鍵部位進而優(yōu)化設計以延長壓鑄模的使用壽命。

工藝開發(fā)和優(yōu)化

在新產品市場定位之后，就應開始進行生產線的開發(fā)和優(yōu)化。ProCAST可以虛擬測試各種革新設計而取之最優(yōu)，因此大大減少工藝開發(fā)時間，同時把成本降到最低。

可重復性

即使一個工藝過程已經平穩(wěn)運行幾個月，意外情況也有可能發(fā)生。由于鑄造工藝參數(shù)繁多而又相互影響，因而無法在實際操作中長時間連續(xù)監(jiān)控所有的參數(shù)。然而任何看起來微不足道的某個參數(shù)的變化都有可能影響到整個系統(tǒng)，這使得實際車間的工作左右為難。ProCAST可以讓鑄造工程師快速定量地檢查每個參數(shù)的影響，從而確定為了得到可重復的、連續(xù)平穩(wěn)生產的參數(shù)范圍。

六、分析模塊

ProCAST共有8個模塊，其中包括MeshCAST。用戶可以比較靈活地選擇這些模塊。對于普通用戶，ProCAST應有基本模塊，流動分析模塊，應力分析模塊和網格劃分模塊。對于鑄造模擬有更高要求的用戶則需要有更多功能的其它模塊。

標準模塊：附加模塊：

*基本模塊（傳熱分析模塊）*應力分析模塊

*流體分析模塊*輻射分析模塊

高級模塊：工具模塊：

*晶粒結構分析模塊*網格生成模塊MeshCAST

*微觀組織分析模塊*反向求解模塊

基本模塊（傳熱分析模塊）

本模塊進行傳熱計算并包括ProCAST的所有前后處理功能。傳熱包括傳導、對流和輻射。使用熱焓方程計算液固相變過程中的潛熱。

ProCAST的前處理用于設定各種初始和邊界條件，可以準確設定所有已知的鑄造工藝的邊界和初始條件。鑄造的物理過程就是通過這些初始條件和邊界條件為計算機系統(tǒng)所認知的。邊界條件可以是常數(shù)，或者是時間或溫度的函數(shù)。ProCAST配備了功能強大而靈活的后處理，與其它模擬軟件一樣，它可以顯示溫度、壓力和速度場，但又同時可以將這些信息與應力和變形同時顯示。不僅如此，ProCAST還可以使用X射線的方式確定縮孔的存在和位置，采用縮孔判據(jù)或Niyama判據(jù)也可以進行縮孔和縮松的評估。

除了可以讀入從MeshCAST產生的網格外，ProCAST也可以直接使用其它商業(yè)軟件如I-DEAS、Patran或ANSYS產生的網格。用同樣的文件格式，ProCAST的結果也可以輸出到其它CAE軟件包中去。

簡單的熱力分析計算可以說明一些基本的特性

流體分析模塊

流體分析模塊可以模擬所有包括充型在內的液體和固體流動的效應。ProCAST通過完全的Navier-Stocks流動方程對流體流動和傳熱進行耦合計算。本模塊中還包括非牛頓流體的分析計算。此外，流動分析可以模擬紊流、觸變行為及多孔介質流動（如過濾網），也可以模擬注塑過程。

傾斜澆鑄鋁鑄件的充型過程可視化

應力分析模塊

本模塊可以進行完整的熱、流場和應力的耦合計算，可以顯示由于鑄件變形而產生的鑄件和模具的間隙，并可進一步確定由于這種間隙的出現(xiàn)而影響到的鑄件冷卻時間和模具中產生的熱節(jié)。本模塊包含多個描述材料機械性能的模型，可以將鑄件或模具設定成為彈性、彈塑性或彈粘塑性中的任何一個或幾個組合。

輻射分析模塊

本模塊大大加強了基本模塊中關于輻射計算的功能。專門用于精確處理熔模鑄造過程熱輻射的計算。特別適用于高溫合金例如鐵基或鎳基合金。此模塊被廣泛用于渦輪葉片的生產模擬。由于在輻射計算時考慮了視角因子和影印效應等，一旦部件之間有相互運動視角因子將重新自動計算。

晶粒結構分析模塊

本模塊用于精確的冶金分析。ProCAST使用最新的晶粒結構分析預測模型進行柱狀晶和軸狀晶的形核與成長模擬。一旦液體中的過冷度達到一定程度，隨機模型就會確定新的晶粒的位置和晶粒的取向。該模塊可以用來確定工藝參數(shù)對晶粒形貌和柱狀晶到軸狀晶的轉變的影響。

可以分析發(fā)生在晶粒選擇器中復雜的冶金過程

微觀組織分析模塊

本模塊專門用于滿足鑄鐵、鑄鋼件生產的需要。它能夠定性和定量地計算固相轉變。通過微觀組織模型計算各相如奧氏體、鐵素體、滲炭體和珠光體的成分、多少以及相應的潛熱釋放。

網格生成模塊MeshCAST

MeshCAST自動產生有限元網格。這個模塊與商業(yè)化CAD軟件的連接是天衣無縫的。它可以讀入標準的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parsolids。同時還可以讀諸如I-DEAS,Patran,Ansys,ARIES或ANVIL格式的表面或三維體網格,也可以直接和ESI的PAMSYSTEM和GEOMESH無縫連接。MeshCASTTM同時擁有獨一無二的其它性能，例如初級CAD工具、高級修復工具、不一致網格的生成和殼型網格的生成等。

反向求解模塊

本模塊適用于科研或高級模擬計算之用。通過反算求解可以確定邊界條件和材料的熱物理性能。雖然ProCAST提供了一系列可靠的邊界條件和材料的熱物理性能，但有時模擬計算對這些數(shù)據(jù)有更高的精度要求，這時反算求解可以利用實際的測試溫度數(shù)據(jù)來確定邊界條件和材料的熱物理性能。

七、模擬過程

1、創(chuàng)建模型：可以分別用IDEAS、ProE、UG、PATRAN、ANSYS作為前處理軟件創(chuàng)

建模型，輸出ProCAST可接受的模型或網格格式文件。

2、MeshCAST：對輸入的模型或網格文件進行剖分，最終產生四面體體網格，生

成xx.mesh文件，文件中包含節(jié)點數(shù)量、單元數(shù)量、材料數(shù)量等信息。

3、PreCAST：分配材料、設定界面條件、邊界條件、初始條件、模擬參數(shù)，生成

xxd.out和xxp.out文件，

4、DataCAST：檢查模型及precast中對模型的定義是否有錯誤，如有錯誤，輸出

錯誤信息，如無錯誤，將所有的模型信息轉換為二進制，生成xx.unf文件。

5、ProCAST：對鑄造過程模擬分析計算，生成xx.unf文件。

6、ViewCAST：顯示鑄造過程模擬分析結果。

7、PostCAST：對鑄造過程模擬分析結果進行后處理應用范圍

ProCAST軟件可應用于砂模鑄造、金屬模鑄造、熔模鑄造、高/低壓鑄造、精密鑄

造、蠟模鑄造、連續(xù)鑄造等多種鑄造過程。下面舉例說明ProCAST軟件在鑄造工藝設計中的優(yōu)勢普通方法工藝設計流程圖用仿