procast在铸造中的应用

对于我们学铸造专业的学生来说，掌握几款铸造方面的软件是很有必要的，有了一定的软件基础在以后的铸造设计、模拟中都是很有用的。下面介绍下ProCAST软件在铸造中应用。一、概述ProCAST是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的专业CAE系统，借助于ProCAST系统，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前，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预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。ProCAST可以模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸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是所有铸造模拟软件中现代CAD/CAE集成化程度最高的。它率先在商用化软件中使用了最先进的有限元技术并配备了功能强大的数据接口和自动网格划分工具。全部模块化设计适合任何铸造过程的模拟；采用有限元技术，是目前唯一能对铸造凝固过程进行热－流动－应力完全耦合的铸造模拟软件；高度集成。二、发展历程

Procast自1985年开始一直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。为了保证模拟的精度，Procast一开始就采用有限元方法作为模拟的技术核心。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的晶粒计算模块和反求模块开发上贡献良多。2002年，Procast和CalcomSA先后加入ESI集团，并重新组建为ProcastInc.(美国马里兰州)和CalcomESI(瑞士洛桑)。ESI也重新整合了其原有的热物理模拟队伍如PAM-CAST和SYSWELD，这样Procast（有限元铸造仿真），PAM-CAST（有限差分元铸造仿真）,Calcosoft（连续铸造仿真）和SYSWELD（热处理与焊接模拟）一起组成ESI完整的热物理综合解决方案。三、适用范围砂型铸造、消失模铸造;高压、低压铸造;重力铸造、倾斜浇铸;熔模铸造、壳型铸造;挤压铸造;触变铸造、触变成型、流变铸造。由于采用了标准化的、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包ProCASTTM进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明ProCASTTM可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。四、材料数据ProCASTTM可以用来模拟任何合金，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汇集了全球顶尖的五十多位冶金、铸造、物理、数学、计算力学、流体力学和计算机等多学科的专家，专业从事ProCAST和相关热物理模拟产品的开发。得益于长期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断地扩充和更新，同时，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。模拟分析能力

缩孔、裂纹

裹气、冲砂

冷隔、浇不足

应力、变形

模具寿命

工艺开发及可重复性

ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题,为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程,使他们有机会看到型腔内所发生的一切,从而产生新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中显示,这样对比较复杂的铸造过程能够通过网际网络进行讨论和研究。

缩孔

缩孔是由于凝固收缩过程中液体不能有效地从浇注系统和冒口得到补缩造成的。ProCAST可以确认封闭液体的位置。使用特殊的判据，例如宏观缩孔或Niyama判据来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生。同时ProCAST可以计算与缩孔缩松有关的补缩长度。在砂铸中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。在压铸中，ProCAST可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的位置。

由于冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷

裂纹

铸造在凝固过程中容易产生热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹。利用热应力分析，ProCASTTM可以模拟凝固和随后冷却过程中产生的裂纹。在真正的生产之前，这些模拟结果可以用来确定和检验为防止缺陷产生而尝试进行的各种设计。

裹气

由于液体充填受阻而产生的气泡和氧化夹杂物会影响铸件的机械性能。充型过程中的紊流可能导致氧化夹杂物的产生,ProCAST能够清楚地指示紊流的存在。这些缺陷的位置可以在计算机上显示和跟踪出来。由于能够直接监视裹气的运行轨迹，从而使设计浇注系统、合理安排气孔和溢流孔变得轻而易举。

冲砂

在铸造中，有时冲砂是不可避免的。如果冲砂发生在铸造零件的关键部位，那将影响铸件的质量。ProCAST可以通过对速度场和压力场的分析确认冲砂的产生。通过虚拟的粒子跟踪则能很容易确认最终夹砂的区域。

冷隔及浇不足

在浇注成型过程中，一些不当的工艺参数如型腔过冷、浇速过慢、金属液温度过低等都会导致一些缺陷的产生。通过传热和流动的耦合计算，设计者可以准确计算充型过程中的液体温度的变化。在充型过程中，凝固了的金属将会改变液体在充型中的流动形式。ProCAST可以预测这些铸造充型过程中发生的问题，并且可以随后快速地制定和验证相应的改进方案。

压铸模寿命

热循环疲劳会降低压铸模的使用寿命。ProCAST能够预测压铸模中的应力周期和最大抗压应力，结合与之相应的温度场便可准确预测模具的关键部位进而优化设计以延长压铸模的使用寿命。

工艺开发和优化

在新产品市场定位之后，就应开始进行生产线的开发和优化。ProCAST可以虚拟测试各种革新设计而取之最优，因此大大减少工艺开发时间，同时把成本降到最低。

可重复性

即使一个工艺过程已经平稳运行几个月，意外情况也有可能发生。由于铸造工艺参数繁多而又相互影响，因而无法在实际操作中长时间连续监控所有的参数。然而任何看起来微不足道的某个参数的变化都有可能影响到整个系统，这使得实际车间的工作左右为难。ProCAST可以让铸造工程师快速定量地检查每个参数的影响，从而确定为了得到可重复的、连续平稳生产的参数范围。

六、分析模块

ProCAST共有8个模块，其中包括MeshCAST。用户可以比较灵活地选择这些模块。对于普通用户，ProCAST应有基本模块，流动分析模块，应力分析模块和网格划分模块。对于铸造模拟有更高要求的用户则需要有更多功能的其它模块。

标准模块：附加模块：

*基本模块（传热分析模块）*应力分析模块

*流体分析模块*辐射分析模块

高级模块：工具模块：

*晶粒结构分析模块*网格生成模块MeshCAST

*微观组织分析模块*反向求解模块

基本模块（传热分析模块）

本模块进行传热计算并包括ProCAST的所有前后处理功能。传热包括传导、对流和辐射。使用热焓方程计算液固相变过程中的潜热。

ProCAST的前处理用于设定各种初始和边界条件，可以准确设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。铸造的物理过程就是通过这些初始条件和边界条件为计算机系统所认知的。边界条件可以是常数，或者是时间或温度的函数。ProCAST配备了功能强大而灵活的后处理，与其它模拟软件一样，它可以显示温度、压力和速度场，但又同时可以将这些信息与应力和变形同时显示。不仅如此，ProCAST还可以使用X射线的方式确定缩孔的存在和位置，采用缩孔判据或Niyama判据也可以进行缩孔和缩松的评估。

除了可以读入从MeshCAST产生的网格外，ProCAST也可以直接使用其它商业软件如I-DEAS、Patran或ANSYS产生的网格。用同样的文件格式，ProCAST的结果也可以输出到其它CAE软件包中去。

简单的热力分析计算可以说明一些基本的特性

流体分析模块

流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的液体和固体流动的效应。ProCAST通过完全的Navier-Stocks流动方程对流体流动和传热进行耦合计算。本模块中还包括非牛顿流体的分析计算。此外，流动分析可以模拟紊流、触变行为及多孔介质流动（如过滤网），也可以模拟注塑过程。

倾斜浇铸铝铸件的充型过程可视化

应力分析模块

本模块可以进行完整的热、流场和应力的耦合计算，可以显示由于铸件变形而产生的铸件和模具的间隙，并可进一步确定由于这种间隙的出现而影响到的铸件冷却时间和模具中产生的热节。本模块包含多个描述材料机械性能的模型，可以将铸件或模具设定成为弹性、弹塑性或弹粘塑性中的任何一个或几个组合。

辐射分析模块

本模块大大加强了基本模块中关于辐射计算的功能。专门用于精确处理熔模铸造过程热辐射的计算。特别适用于高温合金例如铁基或镍基合金。此模块被广泛用于涡轮叶片的生产模拟。由于在辐射计算时考虑了视角因子和影印效应等，一旦部件之间有相互运动视角因子将重新自动计算。

晶粒结构分析模块

本模块用于精确的冶金分析。ProCAST使用最新的晶粒结构分析预测模型进行柱状晶和轴状晶的形核与成长模拟。一旦液体中的过冷度达到一定程度，随机模型就会确定新的晶粒的位置和晶粒的取向。该模块可以用来确定工艺参数对晶粒形貌和柱状晶到轴状晶的转变的影响。

可以分析发生在晶粒选择器中复杂的冶金过程

微观组织分析模块

本模块专门用于满足铸铁、铸钢件生产的需要。它能够定性和定量地计算固相转变。通过微观组织模型计算各相如奥氏体、铁素体、渗炭体和珠光体的成分、多少以及相应的潜热释放。

网格生成模块MeshCAST

MeshCAST自动产生有限元网格。这个模块与商业化CAD软件的连接是天衣无缝的。它可以读入标准的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parsolids。同时还可以读诸如I-DEAS,Patran,Ansys,ARIES或ANVIL格式的表面或三维体网格,也可以直接和ESI的PAMSYSTEM和GEOMESH无缝连接。MeshCASTTM同时拥有独一无二的其它性能，例如初级CAD工具、高级修复工具、不一致网格的生成和壳型网格的生成等。

反向求解模块

本模块适用于科研或高级模拟计算之用。通过反算求解可以确定边界条件和材料的热物理性能。虽然ProCAST提供了一系列可靠的边界条件和材料的热物理性能，但有时模拟计算对这些数据有更高的精度要求，这时反算求解可以利用实际的测试温度数据来确定边界条件和材料的热物理性能。

七、模拟过程

1、创建模型：可以分别用IDEAS、ProE、UG、PATRAN、ANSYS作为前处理软件创

建模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式文件。

2、MeshCAST：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体体网格，生

成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。

3、PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成

xxd.out和xxp.out文件，

4、DataCAST：检查模型及precast中对模型的定义是否有错误，如有错误，输出

错误信息，如无错误，将所有的模型信息转换为二进制，生成xx.unf文件。

5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。

6、ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。

7、PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进行后处理应用范围

ProCAST软件可应用于砂模铸造、金属模铸造、熔模铸造、高/低压铸造、精密铸

造、蜡模铸造、连续铸造等多种铸造过程。下面举例说明ProCAST软件在铸造工艺设计中的优势普通方法工艺设计流程图用仿