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    ProCAST 模拟软件

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      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方法,对铸件充型、凝固和冷却过程等提供模拟,提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析,它能够预测严重畸变和残余应力,并能用于半固态成形,吹芯工艺,离心铸造,消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。

      适用范围

      ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造、高压铸造、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、触变成形、流变铸造。由于采用了标准化、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,ProCAST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。

      材料数据库

      ProCAST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。

      模拟分析能力

      ProCAST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。

      分析模块

      ProCAST是针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统。它主要由8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(Radiation)、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。

      1)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,也可以是时间或温度的函数。ProCAST配备了功能强大而灵活的后处理,与其他模拟软件一样,它可以显示温度、压力和速度场,又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。

      2)流体分析模块

      流体分析模块可以模拟包括充型在内的所有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:Navier—Stokes流动方程,自由表面的非稳态充型,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),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),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),紊流模型(用以模拟高压压力铸造条件下的高速流动),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),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。

      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。

      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。

      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El/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、渗碳体和珠光体的成分、多少以及相应的潜热释放。

      6)电磁感应分析模块

      电磁感应分析模块主要用来分析铸造过程中涉及的感应加热和电磁搅拌等问题,如半固态成形过程中的用电磁搅拌法制备半固态浆料及半固态触变成形过程中用感应加热重熔半固态坯料。这些过程都可以用ProCAST对热流动电磁场进行综合计算和分析。

      7)网格生成模块

      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PAMSYS.TEM和GEOMESH无缝连接。MeshcastTM同时拥有独一无二的其他性能,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。

      8)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,以最大限度地提高模拟结果的可靠性。在实际应用技术中首先对铸件或铸型的一些关键部位进行测温,然后将测温结果作为输入量通过ProCAST反向求解模块对材料的热物理性能和边界条件进行逐步迭代,使技术的温度/时间曲线和实测曲线吻合,从而获得精确计算所需要的边界条件和材料热物理I生能数据。

      ProCAST特点

      ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法与有限差分(FDM)相比,有限元法具有较大的灵活性,特别适用于模拟复杂铸件成形过程中的各种物理现象。有限元法的优点可以归纳如下:

      ①好的几何描述能力。FEM可以精确描述曲面,而FDM只能以阶梯形简化描述曲面。
      ②建模过程中如需局部网格细化,有限元网格无须像有限差分法那样把细化影响到整修模型,这样使FEM的单元和节点数明显少于FDM。
      ③以弹性、弹塑性、弹粘塑性模型进行应力和热的耦合分析时,只能采用有限元法。有限差分法由于网格不能变形而不能进行应力分析。
      ④在处理和充型方向相平行的曲面时,由于有限元法能够精确描述曲面边界,因而能准确模拟铸件充型的流场;而有限差分法在描述铸件曲面边界时,由于断面成锯齿状而造成较大的偏差。
      ⑤在精确处理辐射传热问题时,视角系数和阴影效果的计算,要求准确地描述外表面及相应方位。因此,FDM无法处理复杂的辐射问题。

      ProCAST作为针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合求解的软件包,能够模拟铸造过程中绝大多数问题和许多物理现象。在铸造过程分析方面,ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响;能够模拟出气化模铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程,并能对注塑、压制腊模、压制粉末等的充型过程进行模拟。

      在传热分析方面,ProCAST能够对热传导、对流和辐射等3种传热方式进行求解,尤其是引入最新“灰体净辐射法”模型,使ProCAST擅长于解决精铸及单晶铸造问题。

      在应力分析方面,通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法,使其具有分析铸件应力、变形的能力。

      在电磁分析方面,ProCAST可以分析铸造过程所涉及的感应加热和电磁搅拌等。

      以上的分析可以获得铸造过程中的各种现象、铸造缺陷形成及分布铸件最终质量的模拟和预测。

      ProCAST以模拟铸造过程的基本功能划分模块,而不以铸造方法进行模块划分。各模块根据可靠数据不仅能模拟铸造过程,还能够模拟出热处理和焊接等方面的问题。这极大地方便了用户,使用户可以灵活地应用软件解决多种工艺问题。

      ProCAST的前后处理完全基于OSF/Motif的ProCAST的用户界面。通过提供交互菜单数据库和多种对话框完成用户信息的输入。ProCAST具有全面的在线帮助,具有良好的用户界面。ProCAST通过提供与通用机械CAD系统的接口,直接获取铸件实体模型的IGES文件或通用CAE系统的有限元网格文件。

      ProCAST还可以将模拟结果直接输出到CAD系统接口,尤其可以通过I-DEAS直接读取ProCAST结果文件。这使得ProCAST极易与具有设计加工功能的CAD/CAM/CAE系统相集成,实现数据共享,大幅度提高铸造生产率。ProCAST可运行于WindowsNT,Windows2000,WindowsXP,Linux和UNIX平台,对硬件没有特殊要求。同时,ProCAST也可运行于矢量计算机上和进行并行处理。ProCAST采用TK/TCL跨平台语言,所有平台的升级均同时进行,无须任何第三方软件支持。

      模拟过程

      1)创建模型可以分别用IDEAS,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的文件。

      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.dat文件和xxp.dat文件。4)DataCAST检查模型及PreCAST中对模型的定义是否有错误,若有错误则输出错误信息,若无错误则将所有模型的信息转化为二进制,生成xx.unf文件。

      4)ProCAST对铸造过程模拟分析计算,生成XX.unf文件。

      5)ViewCAST显示铸造过程模拟分析结果。(Z)PostCAST对铸造过程模拟分析结果进行后处理。

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