铸造仿真软件项目建议书

锻造仿真软件项目建议书1 背景 22 锻造模拟仿真对我院的作用 32.1 锻造仿真对7室的作用 32.2 锻造仿真对铸钢厂的作用 33 锻造仿真软件的调研与考核 44 软件开发商法国ESI集团介绍 55 Procast软件特点 66 Procast软件成效预评 176.1 三维模型建立 186.2 网格划分 196.3 工艺条件与运算参数 196.4 数值运算 216.5 成果显示 216.6 分析及建议 247 Procast软件在我院使用构想 257.1 锻造模拟解决方案使用部门 257.2 锻造模拟解决方案硬件需求 268 Procast软件模块配备建议 27

背景长久以来，有关锻造工艺的改善要紧依靠体会和实验，始终缺少一套专业的、有效的办法和手段。模拟是操纵设计、制造过程并推测产品早期服役可能显现问题的最佳解决办法。现在，有限元理论已十分成熟，对应的模拟商业软件也逐步趋于成熟，并在各行各业逐步发挥其庞大的作用。当代制造工艺越来越复杂，性能、精度规定也越来越高，依靠实验的设计手段设计费用越来越高，周期越来越长，也越来越不容易确保可靠性。而从某些发达国家的体会来看，仿真技术的应用能够大大减少实验的比重，减少了设计的盲目性，节省巨额的设计费用，设计周期也大大缩短。从我院专业进展的角度看，急需在数值仿真这首先提高一种层次，实现我院研发能力的跨过式进展。锻造仿真软件的开发是一项技术含量专门高、专业性专门强的工作，作为一种设计单位，自行开发不切实际。国内某些专业单位开发的同类产品在有用性、规范性和易用性等方面都有局限性。ESI集团的ProCAST是业界领先的锻造过程模拟软件，基于强大有限元求解器和高级选项，提供高效和精确的求解来满足锻造业的需求。与传统的尝试－出错－修改办法相比，ProCAST是减少制造成本，缩短开发时刻，以及改善锻造过程质量的重要的、完美的解决方案。锻造模拟仿真对我院的作用引进ProCAST软件，从短期来看会提高设计和工艺制造水平，在现在在研项目中赶忙产生效益；而从久远来看，制造工艺运算和仿真手段的大量应用必将完全变化我院原有的制造工艺方式，最后提高我院锻造工艺的整体水平。锻造仿真对xx室的作用xx室现在有专门多钛合金铸件的锻造过程需要模拟来解决，其要紧缘故是：一、采纳传统的试错法，费用昂贵、周期太长；二新产品大多没有体会能够借鉴，院以工艺探索时刻比较长，专门是某些钛合金材料。锻造仿真对铸钢厂的作用铸钢厂现在某些件的锻造出品率不是专门高，引进锻造模拟仿真软件将大大节省提高铸钢厂的锻造工艺出品率和工艺水平，大大缩短生产周期，有效的提高劳动生产率。另外锻造模拟仿真有关我院技术的传承也专门有关心，通过仿真我们能够将锻造技术和体会进行科学的直观的描述和统计，使得过去的某些抽象的体会变为简朴明了的纸面文档进行记载和储存，有助于锻造技术的持续和资源共享。锻造仿真软件的调研与考核通过上述分析，锻造仿真软件的引入是十分必要的，它对我院的虚拟制造技术和锻造技术的进展将起到极大的推动作用。因此我们对市面上的锻造仿真软件进行了调研和考核。由于我们院情形专门，新材料较多，院以精铸和自动根据化学成分运算合金热物理性能的热力学数据库对我们显得尤为重要，而procast相对这两方面最佳，并且升级及功效又最全，以及同类公司（国内如621、410、430、百慕等；国外如Alcoa,Alcan,Umicore,MKM,Selee(filters),Kawasakisteel,Mitsubishi,Pechiney,Hydro,Elkem,VAW等）的锻造CAE系统的选用情形，最后选定专业锻造软件Procast作为我院锻造仿确实工具。软件开发商法国ESI集团介绍ESI集团是在法国巴黎上市的世界最大最闻名的CAE软件公司之一。作为虚拟测试方案的先锋，ESI集团是全球首屈一指的材料物理学数值模拟原型和制造流程供应商。ESI集团成功的核心在于使用真实材料物理特性，能够进行更真实的模拟，来替代耗时的物理样机尝试和纠错过程。ESI集团开发了一系列完整的面对工业应用的产品，真实模拟产品在测试中的性能，精细和谐制造过程与预期的产品性能间的关系，并评定环境对产品使用的妨碍。ESI集团要紧产品分为虚拟样机、虚拟制造和虚拟环境三大类。ESI集团的产品组合，差不多被工业界广泛验证并与多向价值链相结合，代表着专门的协同、虚拟工程方案，称为虚拟实验空间（VTOS），能够持续对虚拟样机进行改善。ESI集团在军工界有大量客户，并承当了法国及欧洲众多航空航天及防务方面的咨询项目。财政年度的收入约为6300万欧元，在全球拥有逾近600名高层次专家。公司及其全球代理网络为30多个国家的客户提供销售和技术增援。Procast软件特点背景ProCAST自1985年开始始终由位于美国马里兰州首府Annapolis的UESSoftware进行开发，并得到了美国政府和诸多研究机构的大力资助。1990年后，位于瑞士洛桑的CalcomSA和瑞士联邦科技研究院也加入了ProCAST部分模块的开发工作，基于其强大的材料物理背景，Calcom在ProCAST的晶粒运算模块和反向模块开发上奉献良多。，ProCAST和CalcomSA先后加入ESI集团。ESI也重新整合了其原有的热物理模拟队伍如PAM-CAST和SYSWELD，如此ProCAST（有限元锻造仿真）整合了Calcosoft（持续锻造仿真），与PAM-CAST（有限差分元锻造仿真）、SYSWELD（热解决与焊接模拟）一起构成ESI完整的材料热解决成型综合解决方案。功效ProCAST是为评判和优化锻造产品与锻造工艺而开发的专业CAE系统，借助于ProCAST系统，锻造工程师在完毕锻造工艺编制之前，就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并推测铸件的质量、优化锻造设备参数和工艺方案。ProCAST能够模拟金属锻造过程中的流淌过程，精确显示充填局限性、冷隔、裹气和热节的位置以及残存应力与变形，精确地推测缩孔、缩松和锻造过程中微观组织的变化。作为ESI集团热物理综合解决方案的旗舰产品，ProCAST是院有锻造模拟软件中当代CAD/CAE集成化程度最高的。是现在唯独能对锻造凝固过程进行热－流淌－应力完全耦合的锻造模拟软件。合用范畴模块化设计适合任何锻造过程的模拟。高、低压锻造（highandlowpressurediecasting）砂模锻造，金属型锻造和斜浇注（sandcasting,gravitydiecastingandtiltpouring）熔模锻造，壳模锻造（investmentcasting,shellcasting）消逝模锻造和离心锻造（lostfoamandcentrifugalcasting）等等材料数据库ProCAST能够用来模拟任何合金，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。ESI旗下的热物理仿真研究开发队伍聚拢了全球顶尖的五十多位冶金、锻造、物理、数学、运算力学、流体力学和运算机等多学科的专家，专业从事ProCAST和有关热物理模拟产品的开发。得益于长久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停地扩充和更新，同时，顾客本身也能够自行更新和扩展材料数据。除了差不多的材料数据库外，ProCAST还拥有铝基、铁基、钛基、镍基和铜基合金系统的热力学数据库。那个专门的数据库使得顾客能够直截了当输入化学成分，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。铜部件的低压模锻造船用发动机本体的沙模锻造ProCAST提供了能够推测评定整个锻造过程的完整软件解决方案，涉及模型填注，凝固，微观构造和热力的模拟。能够快速可视化铸型设计的妨碍，使得制造过程的早期能够做出对的的决策。特点和规格ProCAST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锻造业最复杂的规定。在过程的每个时期选择每个特定模块：模填充的流体求解器涉及半固体材料，消逝模和离心锻造用于凝固和收缩推测的热求解器涉及辐射选项应力求解器涉及热应力和变形并且，还能够选择某些专门和高级金属选项来推测：气体和微孔铁合金的微观构造颗粒构造形式ProCAST共有九个模块，下面分别叙述对应的功效。模块功效示意图网格划分与工具MeshCAST，ProCAST的CAD界面和网格生成器，将设计和工程时期高效联系在一起。能够快速预备创新的设计方案，同时确保快速和可靠的运算。要紧特点自动生成三维网格CAD/CAE几何通过STEP,IGES,或Parasolid格式导入直截了当有限元网格导入专门快速的网格生成良好的网格质量和质量检查解决复杂几何模型和多个材料对边和表面可变的网格密度确保流体流淌分析的网格熔模锻造的自动shell生成网格布尔运算和网格装配模压锻造铝合金与模具的传热系数通过反向模拟拟定发动机体的有限元网格模压锻造铝合金与模具的传热系数通过反向模拟拟定发动机体的有限元网格使用网格布尔运算连接不同的组件使用网格装配功效合并部件网格

同时自动生成新的特点线反向模拟ProCAST的反向模拟能够通过减小给定位置和时刻上运算与测量温度的差别拟定材料属性或边界条件要紧特点拟定时刻和温度有关的界面系数拟定时刻和温度有关的边界条件拟定时刻和温度有关的材料属性流体求解器ProCAST提供了一种专门突出的流体流淌功效来模拟填模，求解全三维N-S方程并耦合能量方程。自由表面正面跟踪办法运用体积流体办法（VOF）。能够在整个凝固过程模拟自然对流和收缩造成的流淌。要紧特点求解器全三维N-S流体流淌方程斜浇注的旋转轴用于模拟夹气和通风的气体建模半固体材料的非牛顿流体流淌模型过滤器模型湍流模拟可压流体模型消逝模模型粒子跟踪斜浇注应用熔模锻造热求解器热求解器通过考虑传导、对流和辐射能够运算传热。通过焓的形式来描述凝固和固相转变中的潜热。要紧特点瞬态，非线性三维热传导热对流和辐射运用焓的形式考虑相变孔隙推测拉模锻造和金属型锻造砂模锻造的虚拟浇注大型钢部件管件收缩推测大型钢部件锻造的热应力应力求解器ProCAST的先进应力求解器能够进行弹性－塑性或弹性－粘塑材料特性全耦合热、流体和应力模拟。更简朴的材料模型诸如弹性，vacant或刚体也能考虑。要紧特点非线性应力分析自动接触分派和评定（热和力）气隙无限的模型规模温度有关的机械性能辐射辐射模块扩展了热求解器辐射的功效涉及角系数的妨碍。那个模块对熔模锻造过程是必需的，从shell的一种区域到另一种区域的自辐射妨碍是专门明显的。要紧特点涉及自辐射妨碍的精确热分析成果对单晶锻造自动辐射角系数更新涉及壳型预热的整个过程模拟快速角系数运算算法在MeshCAST中生成壳有壳层选项气体与微透气性能大多数模拟方案限定孔隙的推测为基于夹杂液体金属演变的宏观孔隙。这种简化办法没有考虑气体和局部收缩起点的显微孔隙度。ProCAST提供了基于显微孔隙度模拟的办法解决这种物理问题。要紧特点显微孔隙度推测与宏观孔隙和管缩耦合马许区(MushyZone)的压降气体分离气体溶解度作为温度和金属单元的函数成核和气孔的生长铝高压锻造部件第三级活塞压力对氢气孔的妨碍。受限活塞压缩（上）和高活塞压缩（下）显示了气孔的减少铝高压锻造部件第三级活塞压力对氢气孔的妨碍。受限活塞压缩（上）和高活塞压缩（下）显示了气孔的减少显微构造ProCAST显微模拟模块进行锻造过程中任意位置热历程连同成核和显微构造生长耦合模拟。要紧特点可用的拟定性模型：等轴枝晶(DAS)（equiaxeddendritic(DAS)）耦合共晶（coupledeutectic）球墨铸铁共晶(SGI)（ductileironeutectic(SGI)）灰口/白口铁共晶（gray/whiteironeutectic）铝锻造温度分布及钢模具中的应力分布球墨铸铁共析（ductileironeutectoid）铝锻造温度分布及钢模具中的应力分布灰口铁共析（grayironeutectoid）包晶转变（peritectictransformation）Scheil模型（scheilmodel）铁/碳固态转变（iron/carbonsolidstatetransformation）颗粒构造模拟颗粒构造模块基于随机办法（细胞自动机（cellularautomation））和有限元（CAFÉ模型）的耦合，能够推测颗粒构造的凝固。要紧特点推测柱状和等轴枝晶颗粒构造柱状到等轴的转变柱状结晶区颗粒选择对单晶部件推测杂散晶体晶体构造的演变立体信息颗粒构造直截了当可视化燃气涡轮叶片定向结晶的颗粒构造和燃气涡轮叶片定向结晶的颗粒构造和颗粒christallographicorientation成果显示在完美的操纵条件下，通过锻造获得单晶。球墨铸铁部件砂型锻造的珠光体分布PreCAST前解决器能够通过ProCAST图形顾客界面来定义多个边界条件。这些丰富的功效能够精确模拟院有锻造情形。院选需要施加边界条件的几何区域能够通过点击和自动选择延伸执行。顾客定义的数据能够是不变的，也能够随时刻或温度变化。模型边界条件定义到开始运算工作流程是简化和直截了当的材料数据库的版面和属性图示

模型边界条件定义到开始运算工作流程是简化和直截了当的材料数据库的版面和属性图示VisualCAST专用后解决器VisualCAST后解决器是相称强大而多样的。全新的图形顾客界面，多窗口、页面操作方式，支持脚本化操作。VisualCAST后解决器提供了下列演变的即时过程信息：金属前端进展（Metalfrontprogression）内部气泡（Airentrapments）温度场压力云图凝固数据（Solidificationdata）速度矢量应力和变形微构造值粒子轨迹显示VisualCAST提供专门多功效来报告及显示过程成果，涉及：云图矢量图截面及切平面X-Y曲线图动画，图形及影片输出能够轻松直截了当交换信息和通信，成果还能够用变化的原则格式输出到其它CAE解决方案中。

高压压力锻造应用的温度云图热循环模拟中的温度变化低压锻造高压锻造粒子轨迹示踪金属前端进展凝固模拟部件变形金属围绕一种核的前端进展发动机缸体变形高压锻造中金属和空气的可视化成果铝合金轮毂气隙推测硬件平台

ProCAST差不多过下列硬件平台的测试和验证平台解决器操作系统图形选项PCIntel32bitsWindowsNTWindowsWindowXP3DcardOpenGLHPPA-RISC2.0HP-UX11.113DcardX11OpenGLSGIMIPS4IRIX646.53DcardX11OpenGLSUNUltraSparcII&IIISunOS5.73DcardX11OpenGLIBMPower3&4AIX4.3.3

AIX5.13DcardX11OpenGLCOMPAQAlphaEV6OSF1-5.13DcardX11OpenGLLinux*Intel/AMD32bitsRedhat7.33DcardXfree864.2OpenGLProcast软件成效预评考题是钛合金铸件，xx室在生产过程中需要理解该铸件在现有工艺下可能显现缺点的位置及缺点形成缘故。根据工艺室提供的铸件图纸及工艺条件，采纳ESI的ProCAST仿真分析软件对该铸件锻造过程进行了模拟及分析。模拟过程共分为下列几个环节：三维模型建立；网格划分；工艺条件与运算参数；数值运算；成果显示；分析及建议。三维模型建立三维图形见图2院示，造型采纳功效强大的UGNX3.0。图2.铸件三维实体该零件浇注系统设计中，一次浇铸8个铸件，采纳对称排列，带工艺的铸件形式如图3。由于整个模型是对称构造，且多个工艺条件也对称设立，因此数值模拟时能够仅运算1/4构造。图3.阀体工艺三维模型完整的运算模型见图4。网格划分将三维实体输出，并进行有限元网格划分，划分成果见图5。总节点数为387,481，其中铸件节点151,073，总单元数1,866,792。图4.完整三维运算模型图5.网格划分成果工艺条件与运算参数整个浇注、凝固过程在真空环境下完毕，真空度不大于0.5Pa。预计浇注时刻2.5s，浇注温度约17201．边界条件涉及浇口温度、流量、铸型外表面、铸件铸型间界面以及1/4模型的对称面。浇口温度1720C，速度1/4模型的两个对称面铸型别处壁面温度20铸件/铸型界面换热系数1000W/m2K图6.边界条件设定3．初始条件实际工艺中，铸型可能进行了加热解决，初始条件设为铸件材料1720C，铸型材料数值运算锻造过程模拟是一种瞬态问题，随着时刻的推动运算流淌形状及凝固次序。使用配备为P43.4G/MEM2G的机器进行了模拟运算。运算中可进行实时监控，理解充型及凝固进度，并可图形化显示已运算成果。成果显示1．充型过程温度场阀体铸件充型过程是一种随时刻变化的瞬态过程，充型共2.5s完毕。运算院得成果见图7院示。为清晰起见，我们取颜色标尺为1500℃～1720℃t=0.40st=0.64st=0.90st=1.10st=1.32st=1.61st=1.79st=1.93s图7.充型过程2．凝固过程温度场阀体铸件凝固过程的运算成果见图8。t=1.9st=5.1st=11.06st=27.18st=41.18st=59.18st=79.18st=109.18s图8.凝固降温过程3．固相率分数为了更加清晰地观看阀体铸件的凝固过程，我们同样取上述时刻下，固相分数不大于0.5的部分显示如图9。t=1.9st=5.1st=11.06st=27.18s图9.固相率变化过程4．缩孔缩松位置 钛合金阀体在凝固过程中收缩专门激烈。根据以上成果，能够运算出缩孔缩松的趋势，显示如图10。图中颜色标尺表达收缩趋势或可能性，1为完全收缩成空腔，不不大于0.01可认为形成或可能形成缩松缩孔。④③②①④③②①图10.凝固终了时缩孔缩松趋势 图中能够看出，由于钛合金凝固收缩激烈，在一级直浇道与横浇道内收缩形成专门大空腔（①）。随着凝固的进行，在铸件的厚大部位也容易形成收缩缺点。在两侧的圆法兰圆周方向均可能显现缩孔，而在法兰顶部收缩最激烈（②）。在底部办法兰周向，同样可能显现缩孔（③）。在阀体中部两侧管道连接处的圆台内部，由于壁厚较大，也可能显现缩孔（④）。5．凝固时刻凝固时刻同样是鉴定零件收缩缺点的一种方式。同样说来，对收缩倾向比较大的铸件，后凝固的部位如果没有适宜的补缩方式，则极易引发收缩缺点。阀体凝固时刻见图11。℃℃图11.铸件凝固时刻云图（仅显示超出5s部分）凝固时刻成果与缩孔判据成果差不多一致，在圆、办法兰等厚大部位凝固时刻更晚，容易显现收缩缺点；浇道内部凝固更慢，会收缩成空泛。分析及建议1．模拟成果小结通过对钛合金阀体铸件的模拟仿真过程，能够辅助工艺设计工程师分析现有工艺条件，并根据成果改善设计条件及参数。从模拟成果能够看出要紧的缺点为收缩产生的缩孔。根据随时刻变化的成果，能够看到，在中部阀体壁面的薄壁区温度下降最快，最先开始凝固，法兰及浇道起到冒口的作用能够适宜补缩，因此该区域的收缩缺点差不多是局部小量的。三个法兰由于壁厚，热量集中，因此凝固最晚。在这些厚大位置，涉及圆法兰端面内部沿圆周方向（顶部可能性更大）、办法兰端面（四个角部可能性更大），显现缩孔的趋势比较明显。另外，阀体两侧管道在中部交汇，连接两个管道的圆台内部也容易显现缩孔。2．模拟仿真过程优化方案阀体铸件数值模拟是以现在工艺人员对实际工艺条件的估算为基础进行的，部分核心参数在实践中难以精确测得或操纵，这些参数对模拟成果的妨碍比较大。为了使数值仿真工具成为工程技术人员有力的辅助设计工具，在后来的模拟仿真过程中可酌情采用改善方法，涉及：（1）．尽量精确地预计浇注温度及浇注时刻，同时采纳ProCast的反算模块（InverseModule）与部分实测温度成果结合，反推出更精确的浇注温度变化过程；（2）．由于材料的热物性参数多与温度变化有关，因此采纳变热物性参数可使得模拟运算更加精确。涉及铸件钛合金材料、铸型石磨材料等。（3）．铸件与铸型界面的接触热阻是凝固运算中的一种核心参数，对界面换热现象现在还处在研究时期，没有一种清晰精确的普适模型。在拟定了工艺条件的基础上，采纳反算模块（InverseModule），根据实测温度曲线与运算温度曲线对比，同样能够较为精确地得到铸件/铸型间的换热系数。3．工艺过程改善建议以现有模拟分析成果为基础，对锻造工艺得出某些改善意见：（1）．在圆法兰的顶部，考虑采纳一定形式的冒口进行补缩。在法兰端面添加冒口，可使该部位的收缩缺点得到一定程度缓和。缺点是由于钛合金比较昂贵，冒口容易造成材料白费。（2）．在法兰等厚大部位，考虑添加加紧冷却的工艺。如在铸型中贴近法兰的部位增加冷铁，并与石墨一起成型。该办法操作比较苦恼，且由于石墨本身导热成效较好，冷铁会起到一定作用，但并不一定专门明显。（3）．考虑增加圆法兰与横浇道接触形式，使得该横浇道凝固缓慢，对圆法兰顶部起到补缩作用。xx室的工艺人员对模拟成果比较中意，认为与实际专门靠近，有关院得出的建议认为比较中肯，整个模拟成果对该项目的进展起了专门大的推动作用。Procast软件在我院使用构想锻造模拟解决方案使用部门网格剖分工艺参数设定检查，求解应用CAD三维实体造型xx室生产铸钢厂工艺室根据我院需要解决的锻造问题及其有关全方面解决锻造问题的整体规划动身，由我院锻造生产及模拟解决流程简图能够看出，需要xx室和铸钢厂工作人员加入到锻造网格剖分工艺参数设定检查，求解应用CAD三维实体造型xx室生产铸钢厂工艺室图1锻造生产及模拟解决流程简图锻造模拟解决方案硬件需求(1)License服务器要紧作用是治理锻造解决方案中院有软件的license文献，为院有的台式机和运算工作站提供license授权服务。(2)运算工作站要紧作用是进行运算求解。在实际使用过程中，当需要运算的模型的运算量不大时，能够直截了当在本机台式机上运算求解；当需要运算的模型运算量专门大时，需要把运算文献提交到专门的运算工作站上进行运算求解，使用过程是在本机工作站远程登陆操纵运算工作站，然后运用运算工作站进行需要的运算，运算完毕后把运算成果取回来进行本地后解决和生成运算报告。网络中心（1台license服务器）网络中心（1台license服务器）xx室（1台运算工作站）铸钢厂（1台运算工作站）机器用途CPU类型内存硬盘操作系统具体机器举荐License服务器(1台)英特尔飞跃2.8GHz解决器512M以上40G以上Windows®

XP专业版DellPowerEdgeTM

SC430运算工作站(1台）双核英特尔至强64位解决器2.8GHz以上2G以上80G以上Windows®

XP专业版DellPrecisionTM

690Procast软件模块配备建议1．PROCAST模块编号模块名称模块阐明单价（万$）需求PRO-E-11-Pre-processor前解决模块，要紧用于对三维实体网格进行材料、界面条件参数、边界条件参数和运行参数的设定差不多模块PRO-E-12-Post-processor后解决模块，要紧用于运算成果的显示与分析PRO-E-13-MeshCast-meshgenerator网格剖分模块要紧用于体网格的生成GEQ-E-02-GEOMESHv5fo