铸造模拟软件ProCAST

Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 由美国 Ｕ Ｅ Ｓ 软件公司开 发， １９８８ 年发布第 １ 版， 经过多年的开 发完善，至今已成为世界上著名的铸 造凝固仿真软件之一。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 是铸造工艺人员的有力 工具，可以提供新的途经来解决铸造 过程中遇到的困难。ＰｒｏＣＡＳＴ 的 ＣＡＤ／ Ｃ Ａ Ｅ 集成化程度很高，它使用有限元 技术，同时拥有功能强大的能直接利 用三维 Ｃ Ａ Ｄ 进行完全自动网格划分的 软件Ｍｅｓｈｃａｓｔ。
图２ 缩孔预测
过程中可能出现的问题，为铸造工程 师提供新的途经来研究铸造过程，使 他们有机会看到型腔内所发生的一切， 从而得到新的设计方案。模拟结果可 以由计算机屏幕直接显示，从而使比 较复杂的铸造过程能够通过网络得到 有效的讨论分析和研究。 （２） 缩孔 收缩缺陷在铸造中占很大比例。 ＰｒｏＣＡＳＴ 可以确认封闭液体的位置， 并 使 用 特 殊 的 判 据 ，例 如 宏 观 缩 孔 或 Ｎｉｙａｍａ 判据来确认缩孔缩松是否会在 这些敏感区域内发生， 同时可以计算与 缩孔缩松有关的补缩长度，如图２所 示。在砂铸中，ＰｒｏＣＡＳＴ 可以优化冒口 的位置、大小及绝热保温冒口的效果。 在压铸中， ＰｒｏＣＡＳＴ 可以模拟计算模型 中的热节、 冷却加热通道的位置和大小 以及溢流槽的位置对铸件的影响。
一、ＰｒｏＣＡＳＴ 模块设置
ＰｒｏＣＡＳＴ 共有 １０ 个模块，其中包 括 Ｍｅｓｈｃａｓｔ （网格划分） 用户可以根 。 据需要灵活购买这些模块。对于普通 用户， ＰｒｏＣＡＳＴ 有基本模块、 流动分析 模块、应力分析模块和网格划分模块。 对铸造模拟有更高要求的用户则需要 有更多功能的其他模块。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的基本模块包括前处理 模块、 热分析模块和后处理模块。 功能 模块包括流动分析模块、应力分析模 块和辐射分析模块。高级模块包括晶 粒结构分析模块、微观组织分析模块、 电磁分析模块和射芯流动分析模块。 工具模块包括网格生成模块、反向求 解模块。
图４ ＰｒｏＣＡＳＴ２００４主界面
（１） 增加工艺辅助设计内容， 使之 能自动建立浇铸系统并能实现参数化。 （２） Ｇｅｏｍｅｓｈ 作为划表面网格工 具，能达到更快、 更稳定， 自动检查与 修复使其与Ｍｅｓｈｃａｓｔ融为一体。 （３） 实 现 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 并 行 计 算 ， 能 连 接 办 公 室 其他晚 间 不 用 的 计 算 机， 多 机并行工 作 共 同 ，以 节 省 资 源 。■
图３ 热裂预测
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
力，结合与之 相应的温度场
（４） 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。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的紊流模型可以模拟充型过 程中的紊流程度，分析氧化夹杂物产 生部位。这些缺陷的位置可以在计算 机上通过显示进行跟踪。由于能够直 接监视其运行轨迹，Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 使优化 设计浇注系统、合理安排出气孔和溢 流孔变得更容易。 （５） 冲砂 在砂铸中，有时冲砂是不可避免 的。如果冲砂发生在铸件的关键部位， 将影响铸件的质量。Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 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能很容 易地确认最终冲砂的区域。 （６） 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
（３） 裂纹与变形 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 可以模 拟凝固和冷却过程中 产生的裂纹，如图 ３ 所 示。 在位移分析时可模 拟铸件的变形情况， 在 生产前掌握这些模拟
图１ 基本合金系统数据库
二、ＰｒｏＣＡＳＴ 适用范围
便可预测关键部位，进而优化设计以 延长压铸模的使用寿命。 （８） 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。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 可以虚拟 试验各种革新设计， 使设计者可以取之 最 优 。从 而 大 大 减 少了工艺定型时间， 同时又把成本降到 最低。 （９） 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，因而在实际操作中 长时间连续监控所有的参数是不可能 的。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，但 又不可能在车间进行全部针对各种参
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Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 是世界上著名的铸造凝固仿真软件之一，它的 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｅ 集成化很 高，使用有限元技术，同时拥有功能强大的能直接利用三维 ＣＡＤ 进行完全自动网格 划分的软件 Ｍｅｓｈｃａｓｔ。
铸造模拟软件 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ
【 美国通力有限公司 杨亚杰 】
准确计算充型过程中的液体温度下降。 数变化的试验。 ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 可以让铸造 Ｐ 在充型过程中凝固了的金属将会改变充 型的流动形式。 ＰｒｏＣＡＳＴ可以预测这些 铸造充型过程中发生的现象， 而且可以 工程师快速检查每个参数的影响，从 而得到可重复的、连续平稳生产的参 数范围。
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模块将重新自动进行计算。 ５． 晶粒组织结构模块 本模块用于精确的冶金分析。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 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生核与 长大的计算。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 晶粒位置和晶粒取向。该模块可以用 来确定工艺参数对晶粒形貌和柱状晶 到轴状晶的转变产生的影响。 ６． 微观组织模块 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固相 如奥氏体、 铁素体、 渗炭体和珠光体的 成分、含量以及相应的潜热释放。 ７． 网格生成模块Ｍｅｓｈｃａｓｔ Ｍｅｓｈｃａｓｔ 自动产生有限元网格。 此模块与其他 Ｃ Ａ Ｄ 软件可实现无缝连 接，它可以读入标准的 Ｃ Ａ Ｄ 文件格式 如ＩＧＥＳ、 Ｓｔｅｐ、 ＳＴＬ或者Ｐａｒａｓｏｌｉｄ， 同 时还可以读取诸如Ｉ－ＤＥＡＳ 或Ｐａｔｒａｎ 格 式的表面或实体网格。Ｍｅｓｈｃａｓｔ 同时 拥有其他独特的性能，如初级 Ｃ Ａ Ｄ 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． 反算求解模块 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，这时反算求解模块可以利 用实际的测温数据来计算边界条件 和材料的热物理参数。 任何一种铸造过程都可以用 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 进行分析和优化。 它可以用来研究设计 结果， 如浇注系统、 通气孔和溢流系统 的位置， 冒口的位置和大小等。 可以准 确地模拟型腔的浇注过程， 精确地描述 凝固过程。 可以计算冷却或加热通道的 位置以及发热冒口的使用效果等。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 开发了由多种材料组成 且已被工业验证的材料数据库，其中 包括金属材料、各种型砂和精铸的壳 型材料等。这些数据库有开放的平台， 用户可以对其进行更新和扩展。 除了基本的材料数据库外， Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 还拥有基本合金系统的热力 学数据库，如图 １ 所示。 这个独特的数 据库根据用户直接输入的化学成分， 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 。 此 数 据 库 由 英 国 的 ＴｈｅｒｍｏＴｅｃｈ 公司开发， 这项功能也是 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 独有的亮点。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 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。 （１） 模拟分析能力 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 可以模拟分析铸造生产
三、结束语
ＰｒｏＣＡＳＴ 软件 ２００２ 年年底被欧洲 最大的软件商法国 ＥＳＩ 公司收并。收并 之后， ＥＳＩ公司将其列为开发重点， 加大 了研发力量。 软件的核心部分还由美国 原班人马开发， 前后处理模块在法国完 成。近期 Ｅ Ｓ Ｉ 公司发布了最新版 ＰｒｏＣＡＳＴ２００４，新版软件的整个界面焕 然一新，实现了完全 Ｗｉｎｄｏｗｓ 风格，其 操作主界面如图 ４ 所示。用户在前后处 理窗口中可用鼠标随意旋转和拖动三维 模型， 观看模拟结果时可沿任何方向动 态剖分，全部工作在同一界面即可完 成。同时在流动分析、消失模铸造和模 具疲劳方面， ＰｒｏＣＡＳＴ２００４ 都作了进一 步的改进。ＰｒｏＣＡＳＴ 软件的进一步开发 已被列为欧盟项目，ＥＳＩ 公司在近期将 在如下方面开展工作。
１． 基本模块（传热分析模块） 本模块用于传热计算并包括 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的所有前后处理功能。传热 包 括 导 热 、对 流 换 热 和 辐 射 换 热 。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 使用热焓方程式计算液相和 固相转变过程中的潜热。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的前处理用于设定各种 初始和边界条件。用户可以准确设定 所有已知的铸造工艺的边界和初始条 件。 边界条件可以是常数， 也可以是时 间或温度的函数。Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的后处理 功能既强大又灵活，与其他模拟软件 一样，它可以显示温度、压力和速度 场，同时也可以将这些信息与应力和 变 形 的 信 息 集 于 一 体 。不 仅 如 此 ， Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 还可以使用 Ｘ 射线的方式确 定缩孔的位置，使用缩孔判据或 Ｎｉｙａｍａ 判据评估缩孔和缩松。 除了可以读入从Ｍｅｓｈｃａｓｔ 产生的 网格外，Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 还可以直接使用其 他商业软件如 Ｉ － Ｄ Ｅ Ａ Ｓ 、Ｐ ａ ｔ ｒ ａ ｎ 或 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 产生的网格。Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的结果 也可以输出到其他 Ｃ Ａ Ｅ 软件中去。 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
由于采用了通用的用户界面，
结果可以检验为防止
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缺陷产生而进行的各种设计尝试。
快速地检验相应的改进方案。 （７） 压铸 模寿命 热循环疲 劳会降低压铸 模的使用寿 命。Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 能通过模拟预 测压铸模中的 应力集中部位 和最大抗压应
动方程对流体流动和传热进行耦合计 算。本模块还包括非牛顿流体的分析 计算等。 可以模拟紊流、 触变行为及多 孔介质流动（如过滤网中的流动） ，也 可以模拟注塑过程。 ３． 应力分析模块 本模块可以进行完全的热、流动 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型的间隙， 更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型中热 节的产生。本模块包含多个描述材料 机械性能的模型，可以对铸件或模具 进行弹性、弹塑性或弹粘塑性中任何 一个或几个组合设定。通过铸件位移 模拟软件可读出各节点凝固前后的坐 标值，利用此功能可反推出铸件不同 方向的收缩率。 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在真 空下的生产过程模拟。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，