procast凝固模拟简介

ProCAST凝固模拟简介 1.1  序 ProCAST软件是由美国USE公司开发的铸造过程的模拟软件，采用基于有限元（FEM）的数值计算和综合求解的，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。 1.2  ProCAST适用范围 ProCAST适用于砂型铸造、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ProCAST TM进行分析和优化。它可以用来研究结果，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ProCAST TM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。 1.3  ProCAST 材料数据库 ProCAST TM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。 除了基本的材料数据库外，ProCAST还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，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。 1.4  ProCAST 模拟分析能力 可以分析缩孔、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。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。 1.4.1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。由于冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷。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。在砂型铸造中，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。 1.4.2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，ProCAST TM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。 1.4.3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。 1.4.4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。 1.4.5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。 1.4.6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。 1.4.7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。 1.4.8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。 1.5  ProCAST分析模块 ProCAST 是针对铸造过程进行流动- 传热- 应力耦合作出分析的系统。它主要由八个模块组成：有限元网格划分MeshCAST 基本模块、传热分析及前后处理Base License、 流动分析Fluid flow、应力分析Stress 、热辐射分析Rediation 、显微组织分析Micromodel 、电磁感应分析Electromagnetics、反向求解Inverse ，这些模块既可以一起使用也可以根据用户需要有选择地使用。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 1.5.1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。ProCAST还能显示紊流、热辐射通量、固相分数、补缩长度、凝固速度、冷却速度，温度梯度等等。 1.5.2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。 流动分析模块包括以下求解模型： 1.Navier-Stokes 流动方程。 2.自由面的非稳态充型。 3.气体模型：用以分析充型中的囊气、压铸和金属型主宰的排气塞、砂型透气性对充型过程的影响以及模拟低压铸造过程的充型。 4.滤模型：分析过滤网的热物性和透过率对充型的影响，以及金属在过滤网中的压头损失和能量损失，粒子轨迹模型跟踪夹杂物的运动轨迹及最终位置。 5.牛顿流体模型：以Carreau-Yasuda 幂律模型来模拟塑料蜡料粉末等的充型过程。 6.紊流模型：用以模拟高压压力铸造条件下的高速流动。 7.消失模模型：分析泡沫材料的性质和燃烧时产生的气体、金属液前沿的热量损失、背压和铸型的透气性对消失模铸造充型过程的影响规律。 8.倾斜浇注模型：用以模拟离心铸造和倾斜浇注时金属的充型过程。 从以上列出的流动分析模型可知在模拟金属充型方面ProCAST 提供了强大的功能。 1.5.3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。应力分析模块用以模拟计算领域中的热应力分布，包括铸件铸型型芯和冷铁等。采用应力分析模块可以分析出残余应力、塑性变形、热裂和铸件最终形状等。应力分析模块包括的求解模型有6种：线性应力；塑性、粘塑性模型；铸件、铸型界面的机械接触模型；铸件疲劳预测；残余应力分析；最终铸件形状预测。 1.5.4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。专门用于精确处理单晶铸造、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。该模块采用最新的“灰体净辐射法”计算热辐射自动计算视角因子、考虑阴影效应等，并提供了能够考虑单晶铸造移动边界问题的功能。此模块还可以用来处理连续性铸造的热辐射，工件在热处理炉中的加热以及焊接等方面的问题。 1.5.5显微组织分析模块： 显微组织分析模块将铸件中任何位置的热经历与晶体的形核和长大相联系，从而模拟出铸件各部位的显微组织。ProCAST 中所包括的显微组织模型有：通用型模型：包括等轴晶模型、包晶和共晶转变模型，将这几种模型相结合就可以处理任何合金系统的显微组织模拟问题。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。 Fe-C 合金专用模型：包括共晶/ 共析球墨铸铁、共晶/ 共析灰口/ 白口铸铁、Fe-C 合金固态相变模型等。运用这些模型能够定性和定量地计算固相转变、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。