ProCAST 熔模铸造过程数值模拟
数值模拟技术在机器人铸件熔模铸造工艺中的应用
数值模拟技术在机器人铸件熔模铸造工艺中的应用作者：王惠来源：《电子技术与软件工程》2016年第18期摘要铸件铸造是一项非常复杂的工程，一些材料经常使用试错法或者反复熔模铸造实验来确定其铸造参数。
在本文的研究中，将TiB2/A356 复合材料的热物性参数导入ProCAST的数据库，然后对其热物性参数进行二次开发和熔模铸造数值模拟，通过对机器人关节零件熔模铸造过程的模拟，找到存在的问题和缺陷，为提高机器人铸件熔模铸造工艺技术水平打下基础。
【关键词】铸造模拟 TiB2/A356 复合材料热物性参数数值模拟实验浇注系统熔模铸造技术是铸造领域中，一种非常优秀的材料净成型工艺，随着现代工业铸造零件技术的推广，熔模铸造技术正在工业零件铸造方面发挥着越来越大的作用。
一些精密零件的加工铸造，如汽车零件、机器人零件以及军事武器装备等精密零部件，都已经应用熔模铸造技术。
不过在不同的材料运用这种工艺技术时，如果能够合理的进行数值模拟，找到不同材料之间铸造参数的差异，从而不断优化和提升铸造效率。
基于此，需要通过数值模拟技术，研究并确定不同材料在铸造时的铸造参数，以防止不当的参数设置给零件铸造带来质量和性能方面的损失，同时，在确定合理的铸造参数基础上，能够保障铸件熔模铸造工艺技术的作业效率，降低材料的损耗，提供整个技术工艺的经济效益。
1 建立TiB2/A356 复合材料的热物性数据库应用数值模拟技术，首先需要建立相关材料的热物性数据库，在本文的研究中，重点以TiB2/A356 复合材料为研究案例，建立其热物性数据库。
一般情况下，如果往基体材料中加入增强体后，原材料的热物理性质就会发生变化。
以 TiB2/A356 复合材料的研究来说，在确定其数值模拟需要的所有热物性参数时，需要参考其颗粒均匀分散于基体类型的复合材料性能混合公式，并且根据不同条件变化下的公式调整和参数设置，对数值模拟的热物性参数进行相应调整。
利用 Pro CAST 的数据库开发模块计算并确定 TiB2体积分数为 10%的 TiB2/A356Al 颗粒增强铝基复合材料的导热系数、密度、黏度和热焓随温度变化的关系。
Procast
如果几何体没问题
删除细节以提高网格质量
几何体 • ProCAST • Iges • Step • Parasolid • Stl
如果有未划分网格的面
• 检查几何体 • 修复几何体 • 调整几何体 • 保存 prefix.gmrst 文件 • 划分面网格 • 检查网格 • 修复网格 • 保存 prefix.sm 文件 • 划分体网格 • 检查网格质量 • 修复网格质量 • 平滑处理 • 优化处理 • 保存 prefix.mesh 文件
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。
SolStar SOLIDA 华铸CAE
英国 日本 中国
FVM DFDM FDM
—— —— 软件不限制
各种铸造 多数铸造 各种铸造
ProCAST分析模块
• • • • • • • • 有限元网格划分 MeshCAST 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
重力定义
1. 单击Process/Gravity, 弹出重力定义窗口 2.用左键单击X、 Y、Z来选择重力 大小和方向
3.单击Apply
基于PROCAST消失模铸造过程数值模拟分析的前处理
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ Ｔ ｅ ｘ ｔ ｉ ｌ ｅ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
第 ３０卷 第 ４期 （总第 １ １ ０期 ） ２ ０１ ３年 １ ０月
文章编号： １ ０ ０ ８—５ ５ ８ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４—０ ０ ６— ０ ４
图 １ 衬 板零 件 图
１ ． ２ 有 限元 网格 的划分
网格 划分是计 算机 数值模 拟不可缺少 的前处
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 。Ｐ Ｒ Ｏ Ｃ Ａ ｓ Ｔ铸 造 充型 过 程模 拟流程 如 图 ２所 示 。 本 文 以矿 山设 备 上 的 耐磨 件板 锤 为 例 ， 详 细
９
模样 占据 型腔 ， 消 失 模 的 充 型过 程 实 际 上是 高温 金 属液 体取代 泡沫 模样 的过 程 。而这 一过程 中极 为重要 的几个 参数 有 ： 真空度、 泡 沫模样 与金 属液
体 之 间的换热 系数 、 气 隙的大 小 、 泡沫模 样 的气化
率。
５ ； 气化 率 为 Ｇ Ａ Ｓ Ｆ Ｒ Ａ Ｃ， 默认 为 ０ ． １ 。其 中 ， 单 位
消失 模铸 造是一 种新型 的铸造方 式 。我国是 铸 造大 国 ， 许 多生产厂 家尤其是 冶金 、 矿山、 煤炭 、 建材等行业， 采 用 消 失模 铸 造 群 铸 生 产 磨球 、 衬 板、 锤 头等 耐 磨件 ， 在一 个 砂箱 内串 、 并联 很 多相 同或不 同 的消 失模 模 型 而进 行 一次 浇 注 成形 ， 其 生 产效 率和经 济效益 比传统砂 型铸造 高 。 近 年来 ， 随着计 算 机技 术 和有 限元 技术 的飞 速 发展 ， 基 于知 识 的成 形 铸造 工 艺模 拟 仿 真发 展 越来 越 成熟 。模 拟 仿 真 可保 证零 部 件 的 品质 、 优 化 过程设 计 、 缩 短研制 周期 ， 从而给铸 造工业 带来 效 益 。柳 百成 指 出采 用铸造过 程计算 机模 拟仿真
Procast熔模铸造模拟分析案例.
Procast熔模铸造模拟分析案例一、熔模铸造案例模型说明熔模铸造又称失蜡铸造，包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序。
失蜡铸造是用蜡制作所要铸成零件的蜡模，然后蜡模上涂以泥浆，这就是泥模。
泥模晾干后，再焙烧成陶模。
一经焙烧，蜡模全部熔化流失，只剩陶模。
一般制泥模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属熔液，冷却后，所需的零件就制成了。
本教程将一步一步的指导各位完成Procast中关于熔模铸造的设置。
图1 模型说明本案例中用到的几何体由以下几个部分组成，如图1所示，分为模壳、铸件和扣箱。
二、熔模铸造案例模型前处理设置说明1.在PreCAST中导入网格模型图2 网格导入说明如图2所示，在网格导入界面，选择网格所在的文件夹，然后在case中输入需要导入的计算模型名称，软件会自动根据路径和文件名称导入相应的几何网格信息。
读入后程序会自动显示模型、网格、节点信息。
（材料数，总的节点和单元数以及单位和轮廓尺寸），见图3所示。
注意，在辐射计算时存在一个扣箱。
图3 几何网格导入信息显示2.检查几何体网格导入后，PreCAST能够自动标示材料序号，总的结点和单元数。
也可以显示出单位和轮廓尺寸。
这些信息及各部件的体积都可以通过File menu->Check geometry 选项得到。
图4几何检查选项3.设置工件材料属性点选图5红色显示区域，再次点选相应材料牌号，点击assign最终设定，为铸件和模壳分别指定为铬镍铁合金718及一种壳材料。
图5材料定义4.创建并设置各部件之间界面换热面该步骤主要是对模型各个材料交接面设定界面换算系数，以确保材料各部分的准确换热。
图6换热界面及系数定义5.设置工艺边界条件该界面是定义铸造工艺边界条件，以实现不同的铸造工艺种类。
在熔模铸造中，需要通过该界面设置注入孔处的温度和浇注速度边界条件以及整个外扣箱的温度和辐射参数边界条件，具体见图7所示。
图7 边界条件定义6.设置重力该步骤是根据实际工艺重力方向来定义，见图8所示。
铸件缺陷形成的PROCAST数值模拟
实验四 铸件缺陷形成的PROCAST 数值模拟一、实验目的1）利用ProCAST 软件，对照模拟同一铸件的不同铸造方案，了解铸件在铸造过程中可能出现的缺陷；2）分析缩松缩孔、裂纹等缺陷可能出现的原因，并尝试更改铸造工艺，以减少缺陷，改善铸件质量。
二、实验原理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，并且具有可重复性。
而在实际模拟过程中，常见的铸造缺陷有缩松缩孔、裂纹和气孔等。
1. 缩松缩孔金属铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，往往会在铸件最后凝固部位出现孔洞。
容积大而集中的孔洞被称为集中缩孔；细小而分散的孔洞被称为缩松。
一般认为，金属凝固时，液固相线之间的体积收缩是形成缩孔及缩松的主要原因；当然，溶解在金属液中的气体对缩孔及缩松形成的影响有时也不能忽略。
当金属液补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中缩孔且多位于铸件上部；而当枝晶形成骨架或者一些局部小区域被众多晶粒分割包围时，金属液补缩受阻，于是体积收缩表现为缩松。
图4-1 缩孔形成过程示意图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1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。
2. 裂纹金属液接近凝固温度时，收缩量较大，塑性较差，铸件自由收缩受阻而造成热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹，一般位于铸件最后凝固的部位。
热裂形成的过程如图4-2所示，图中c p 为空隙压1即为新山英辅判据，NiYam a C R G /， G —判别区域的局部温度梯度，R —冷却速度，NiYama C —有量刚量。
研究表明，NiYama C 值随铸件大小变化，大件取1.1，小件取0.8。
ProCAST模拟分析
ProCAST模拟分析ProCast铸造模拟分析ProCAST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、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应⼒场、电磁场进⾏模拟分析。
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。
⼀.ProCAST软件的模拟流程1、创建模型：可以分别⽤I-Deas、Pro/E、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。
⼆．我公司设计及模拟流程根据客户确认后的2D、3D设计模具总装图→组织各车间技术员进⾏评审，根据经验提出修改⽅案→根据评审记录修改总装→设计模具3D→进⾏ProCast 分析→现场根据模拟分析结果及经验进⾏⽣产三．我公司ProCAST模拟⽰例1.⽹格划分2.参数设置3.后处理流场动态显⽰温度场动态显⽰最后凝固及补缩不⾜部位铸造缺陷位置有效应⼒热裂指⽰4.结论：根据模拟结果显⽰，铸造过程中按照顺序凝固原理，其铸造缺陷在可接受范围内。
在⽣产实际中可根据实际情况对⼯艺参数经⾏调整，来保证车轮铸造质量。
PROCAST-换热器壳体的虚拟熔模铸造
从虚拟到真实——换热器壳体的虚拟熔模铸造计算机技术特别是图形、图象处理技术的快速发展，使现实世界中的许多过程、现象和形象都能在计算机中再现出来，这就是所谓‘虚拟’。
例如，虚拟驾驶、虚拟人物，三维动画和游戏、甚至虚拟的节目主持人等等。
计算机数值模拟和可视化技术的发展，使虚拟铸造变成现实。
当然，这是建立在科学基础上的(以经典传热学、流体力学和弹塑性力学为理论基础)的虚拟，而不是基于艺术创作的虚拟。
从世界范围看铸造过程数值模拟技术的发展大体经历了三个发展阶段：①20世纪60年代是尝试阶段，开始开展以导热偏微分方程为基础的铸件凝固温度场数值模拟。
②20世纪70年代和80年代前期是以温度场数值模拟为主要内容的基础研究(材料热物理性能参数、界面条件、潜热处理等)及缩孔、缩松等缺陷判据与质量预测预报，同时开展对流场、应力场的研究。
1978年美国精铸年会上J.Hockin (Electronicast Inc.)发表的“Factors Affecting The Solidification 0f Inv estment casting”、和Arizona大学G.H.Geiger教授的“Fundamentals of Solidification”长达100页的长篇论文“The Thermal Conductivity of Shell Investment Materials ”，为建立熔模铸造充型-凝固过程数值模拟数据库奠定了坚实的基础。
③20世纪80年代后期和90年代是实用化和研究工作进一步深化的阶段。
事实上,美国UES公司开发的ProCAST铸造过程仿真软件早在1988年就开发成功。
90年代中期，美、德、法、英、日等国一大批功能强大、性能完备的商品软件已投放市场，对铸造新产品的研制、开发和生产发挥出越来越大的作用。
在众多铸造过程模拟软件中，已有许多可用于熔模铸造，ProCAST就是其中的代表。
它最初是以工程工作站/Unix为开发平台，现在也有微机/Windows版本。
procast指导书_实验五实验六
43铸造过程数值模拟综合实验前言一、铸造过程数值模拟的来源、内容和意义为了生产出合格的铸件，就要对影响其形成的因素进行有效的控制。
铸件的形成主要经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到液态金属充型流动、金属凝固和冷却收缩、高温金属冷却和收缩3种物理现象。
在充型过程中，流场、温度场和浓度场同时变化，凝固时伴随着温度场的变化的同时存在着枝晶间对流和收缩现象；收缩则导致应力场的变化。
与流动相关的主要缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；充型中形成的温度场分布直接关系到后续的凝固冷却过程；充型中形成的浓度场分布与后续的冷却凝固形成的偏析和组织不均匀有关。
凝固过程的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因，枝晶间对流和枝晶收缩是微观缩松的直接原因，热裂冷裂的形成归因于应力场的变化。
可见，客观地反映不同阶段的场的变化，并加以有效的控制，是获得合格铸件的充要条件。
传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统——铸造工艺的局限性表现在：1）只是定性分析；2）要反复试制才能确定工艺。
铸造过程数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行数值解析以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容主要包括温度场、流场、浓度场、应力场等的计算模拟。
二、铸造过程数值模拟原理铸造过程数值模拟技术的实质是对铸件成型系统（包括铸件—型芯—铸型等）进行几何上的有限离散，在物理模型的支持下，通过数值计算来分析铸造过程有关物理场的变化特点，并结合铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。
数值解法的一般步骤是：1）汇集给定问题的单值性条件，即研究对象的几何条件、物理条件、初始条件和边界条件等。
2）将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理。
3）建立内部节点（或单元）和边界节点（或单元）的数值方程。
4）选用适当的计算方法求解线性代数方程组。
5）编程计算。
其中，核心部分是数值方程的建立。
基于PROCAST铝合金压铸模浇注系统设计及充型凝固数值模拟
式中 , D 为散度 ; u、 v 、 w 为速度矢量在坐标系中 x、 y、 z 方向上的分量 ; P 为压力 ; 为运动粘度 ; g 为重 力加速度 ; 为拉普拉斯算子; 为金属流体密度。 ( 3) 能量守恒方程 T T T T + u + v + w = t x y z 2 2 2 T T T Q + 2+ 2 + CP x y z2 CP 式中 , T 为温度; 为流体导热率; C P 为流体定压 比热容; Q 为内热源。 ( 4) 体积函数方程 F+ u F + v F + w F = 0 t x y z ( u i) + = 0 t xi 式中 , F 为流体体积分数 ; u 为速度。 ( 5) 边界传热方程 - K T n = hf ( t ) g( T ) [ T - T a ] 式中 , h 为对流交换系数; T a 为边界温度 ; g( T ) 为 温度函数。 2. 2 计算方程的离散 数值求解上述方程前要对偏微分方程组在空间和 时间上进行离散 , 原则为: 为了满足连续性方程, 压力必须进行迭代修正 , 由此引起的速度改变值需要 加到上一步计算的速度场上 , 反复迭代直至满足精度 要求 ; 对动量方程进行显式差分 , 以初始条件或者 上一时刻的数值作为基础 , 试算出下一时刻的猜测速
压铸充型凝固过程的数值模拟可以帮助人们在压铸工艺设计阶段对铸件可能出现的各种缺陷及其大小部位和发生的时间予以有效的预测从而优化铸造工艺设计以确保铸件的质量缩短试制周期和降低生产成本1浇注系统设计本文选择的压铸件为一套筒类信号接收件由于零件的形状特点实际压铸成型时容易出现气孔缩孔缩松冷隔浇不足等缺陷
V ol. 31 N o. 4 A pr . 2010
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方法，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 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,从而产生新的设计方案。
ProCAST之铸造仿真模拟软件
1.单击Boundary
Conditions/Assign Surface，弹出边界条 件定义窗口
2.单击Add，在弹出窗 口中选择要定的边 界条件
3.利用选择工具选 择边界条件的区域， 并单击Store
4.选择边界条件， 并单击Assign
重力
1. 单击Process/Gravity,弹 出重力定义窗口
ProCAST铸造仿真模 拟软件培训
材料定义
1.单击Materials/Assign， 弹出材料定义窗口
4.左键单击选择 是否为空腔
4.单击Read， 可查看该材料 的热物理性质
（如左图）
2.用左键选择上面 红色体的材料，并 单击Assign
3.右键单击，在弹出 窗口中选择该材料所 属类型
十一、材料定义
精铸模拟操作过程举例
2.用左键单击X、 Y、Z来选择重力 大小和方向
3.单击Apply
十二、运行参数设置（注：以后内容在演示过程中分别 进行讨论，不再单独列出）
1.单击Run Parameters,定 义运行参数
1.定义铸 造类型
1.定义热 力参数
1.定义求解 基本参数
1.定义流 动参数
十三、MeshCAST-模壳建立
ProCAST可以根据化学成分计算热焓曲线、固相线曲线、密度和热导率， 可计算的合金元素如下：
采用Scheil或Lever方法进行计算， Scheil和Lever对应着两个不同的微观偏 析模型，如果是Lever，应用杠杆定律，即溶质可以在熔体中完全混合。 如果是Scheil，指的是溶质在固相中完全没有扩散。Back Diffusion模型 假定溶质在固相中可以部分扩散，是介于上述两种模型之间的模型。需 要指定平均冷却速率以确定固相中的扩散量。
铸造全过程仿真软件ProCAST
软件世界 铸造已有五千年悠久历史中国古代在铸造方面的技术成就已是人类文明的重要组成部分随着计算机和ＣＡＤ／ＣＡＥ技术的迅猛发展６０年代开始凝固和冷却中的流场通过仿真可以对铸件质量进行预报通过对工艺参数的分析研究从而确保铸件质量ＰｒｏＣＡＳＴ软件是美国ＵＥＳ公司开发的铸造过程仿真分析软件在国际铸造界享有很高的声誉ＰｒｏＣＡＳＴ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有限元网格划分ＭｅｓｈＣＡＳＴ流动分析Ｆｌｕｉｄ ｆｌｏｗ热辐射分析Ｒｅｄｉａｔｉｏｎ电磁感应分析Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ这些模块既可以一起使用１． 有限元网格划分模块可以有两种方法生成有限元网格ＰＡＴＲＡＮＧＦＥＭＡＮＳＹＳ等软件中直接读取有限元模型ＰＡＲＡＳＯＬＩＤ２． 基本模块前处理边界条件等后处理可以对各种仿真结果进行显示温度速度热辐射通量补缩长度冷却速度ＮＩＹＡＭＡ准则数缩孔显微组织塑性变形和接触压力任意温度的等时线等Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ流动方程２气体模型压铸和金属型主宰的排气塞 滤模型以及金属在过滤网中的压头损失和能量损失跟踪夹杂物的运动轨迹及最终位置５以Ｃａｒｒｅａｕ－Ｙａｓｕｄａ幂律模型来模拟塑料粉末等的充型过程６用以模拟高压压力铸造条件下的高速流动７分析泡沫材料的性质和燃烧时产生的气体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用以模拟离心铸造和倾斜浇注时金属的充型过程在模拟金属充型方面ＰｒｏＣＡＳＴ提供了强大的功能包括铸件型芯和冷铁等塑性变形应力分析模块包括的求解模型有６种塑性铸件铸件疲劳预测最终铸件形状预测熔模精铸等过程的热辐射传热问题 软件世界 灰体净辐射法自动计算视角因子并提供了能够考虑单晶铸造移动边界问题的功能工件在热处理炉中的加热以及焊接等方面的问题从而模拟出铸件各部位的显微组织包括等轴晶模型将这几种模型相结合Ｆｅ－Ｃ合金专用模型共晶／共析灰口／白口铸铁７． 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流动８． 反向求解模块利用实际的测温数据来确定数值模拟的边界条件和材料的热物理性能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将测温结果作为输入量使技术的温度／时间曲线和实测曲线吻合二ＦＥＭ与有限差分法相比特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象 好的几何描述能力而ＦＤＭ只能以阶梯形简化描述曲面２如需局部网格细化把细化影响到整修模型 以弹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因而不能进行应力分析４由于有限元法能够精确描述曲面边界而有限差分法在描述铸件曲面边界时 在精确处理辐射传热问题时要求准确地描述外表面及相应方位ＦＤＭ无法处理复杂的辐射问题传热能够模拟铸造过程中绝大多数问题和许多物理现象ＰｒｏＣＡＳＴ提供了能够考虑气体高压能够模拟出气化模铸造压力铸造并能对注塑压制粉末等的充型过程进行模拟ＰｒｏＣＡＳＴ能够对热传导尤其是引入最新＂灰体净辐射法＂模型在应力分析方面使其具有分析铸件应力在电磁分析方面以上的分析可以获得铸造过程的各种现象铸件最终质量的模拟和预测而不以铸造方法进行模块划分还能够模拟出热处理和焊接等方面的问题使用户可以灵活地应用软件解决多种工艺问题通过提供交互菜单ＰｒｏＣＡＳＴ具有全面的在线帮助ＰｒｏＣＡＳＴ通过提供和通用机械ＣＡＤ系统的接口ＰｒｏＣＡＳＴ还可以将模拟结果直接输出到ＣＡＤ系统接口这使得ＰｒｏＣＡＳＴ极易与具有设计实现数据共享５． ＰｒｏＣＡＳＴ可以在基于ＵＮＩＸ操作系统的工作站上运行。
Procast 压铸模拟流程
１模具造型将文件另存为Stp或igs格式２网格划分２.１文件打开，几何模型的检查，生成铸件等工作２.１.１文件打开打开Visusl-Cast 13.5切换到Visual-Mesh（点击左上角Applications按钮切换）点击Open File打开保存好的模具三维图文件打开如图所示，可点击Views里面的相关按钮切换显示状态２.１.２检查三维模型点击check进行检查，显示未发现任何问题２.１.３合并相交面检查并合并实体间的相交面点击check进行检查，相交面的边线将以高亮状态显示，如果相交面的变现判断准确，可直接点击Assemble all将这些面合并再次检查，最后会出现“There are no overlaps between the active faces of volumes.”的提示，表明所有相交的面已经全部装配起来了２.１.４检查实体间相交的部分，并将相交的部分进行分配点击check进行检查，相交部分将以高亮显示，点击Intersect All完成相交部分的运算再次点击check，最后显示“There are no intersections between the active faces of volumes.”在左边Explorer下面的Volumes上鼠标右键并选择Compute Volumes按钮，将计算出新的实体注意看Volumes下面多了一个部件将新生成的部件进一步划分（将一些面隐藏，并在所需部位添加新面以计算出实体，此处使用的面修补工具为Geometry Utilities菜单栏下的工具）选择所需要填补的边线，使用鼠标中键确定可生成新面点击Apply即可自动生成新实体（蓝色部分）２.２划分面网格点击Surface Mesh进行面网格划分点击“+”号创建不同的边界组选择不同的组，然后选择Modify按钮选择所需要分在这一组的面为不同的组设置相应的面网格尺寸（Element Size）点击Mesh All Surfaces自动进行网格划分检查并修复面网格此处面网格无问题（Surface Mesh is OK），若面网格存在问题可使用Auto Correct按钮和相关网格修复按钮进行修复２.３划分体网格用鼠标左键框选所需要划分的实体，按鼠标中键确定即可进行体网格划分点击Apply并关闭窗口检查体网格点击check，显示Volume Mesh is OK关闭窗口，保存文件3 相关参数的设置点击Applications切换到Visual-Cast模块３.１设置重力加速度方向在弹出的重力方向设置窗口中设置重力加速度方向３.２将部件分组并设置部件材料，充满度以及初始温度在Explorer窗口中右键单击Volumes并选择Edit按钮更改部件名（选中部件按下F2即可更改），将部件分组（按住Ctrl键同时选中多个部件，右键单击并选择Group按钮即可分组）设置部件的Type、Material、Fill%和Initial Temperature，设置完毕点击Apply并点击Close关闭窗口３.３设置界面处的连续状态以及换热系数右键单击Interface HTC并选择Edit按钮设置如图添加新的界面并设置最后结果如图，设置完成点击Apply并关闭窗口３.４设置热交换在Explorer窗口中右键单击Heat Exchange并单击New按钮出现如图窗口单击Region按钮，然后选择需要设置的部件点击OK确认，然后按鼠标中键确认，然后在Process Condition栏中选择Air Cooling，点击Apply并关闭窗口３.５设置压射活塞的运动参数曲线在Explorer窗口中右键单击Translate v(t)并单击New按钮出现如下窗口点击Volume按钮然后选择Piston点击OK并按鼠标中键确定，在Process Conditon栏中下拉选择HPDC Piston，也可自己根据需要设置活塞的运动参数（第二张图）点击Apply并关闭窗口３.６设置模拟参数单击顶部菜单栏中的Cast－＞Simulation Parameters设置Pre－defined Parameters类型为HPDC Filling设置General栏参数如图设置Flow－＞Advanced１如图设置Thermal栏如图，然后选中GATENODE一格，单击下方的Select GATENODE按钮，然后在图形中选择对应的节点点击Select Node，点击Apply，最后关闭窗口。
铸造模拟软件procast使用指南
铸造模拟软件procast使用指南铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 1 页共 56 页铸造模拟软件ProCast使用指南编制:审核:批准:声明:此设计指南仅供………内部使用，切勿外传。
铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 2 页共 56 页目录1 序言……………………………………………………………………………………………....................3 2 ProCa st软件主界面. (3)2.1 ProCast适用范围 (4)2.2 ProCast模拟分析能力 (4)2.3 ProCast分析模块....................................................................................................5 3 ProCast和常用软件的接口. (9)3.1 ProE网格划分 (9)3.2 GeoMesh前处理 (12)4 网格处理模块MeshCast 的 (16)4.1 Open (17)4.2 Repair (17)4.3 在修补环境中生成表面网格模型 (19)4.4 在Meshing environment 中编辑表面网格 (19)4.5 Generate Tet Mesh (21)5 前处理模块PreCast (23)5.1 Geometry (23)5.2 Materials (23)5.3 Interface (24)5.4 Boundary Conditions (24)5.5 Process (26)5.6 Initial Conditions (27)5.7 Run Parameters.................................................................................................28 6 求解模块DataCast和ProCast...........................................................................................35 7 后处理模块ViewCast. (37)7.1 Field Selections (38)7.2 Display types (38)7.3 Display Parameters (38)7.4 Curves (39)7.5 Geometry Manipulation (39)7.6 图片解说常用功能 (40)铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 3 页共 56 页1. 序言铸件充型凝固过程数值模拟是建立在经典方法、可视化等计算机手段基础上对铸件充型凝固过程进行模拟仿真和质量预测的技术，目前在国内外已经广泛采用并且收到很好的效果。
数值计算Procast在铸造过程中的应用
高Nb-TiAl合金重力与离心铸造在低压涡轮叶片上数值模拟及实验验证概述：用Procast软件来模拟低压下涡轮叶片Nb-TiAl合金的重心与离心铸造。
现今的叶片组成是由真空感应熔炼炉在Ar气保护下生产。
实验验证表明模拟的结果与实验结果有很好的一致性。
对比结果告诉我们离心铸件的表面比重力铸造更完整。
在重力铸造过程中，熔融的金属最后填入最薄的尾边，导致滞流的缺陷。
进一步说，在重力铸造下，収缩孔和裂纹缺陷会更多而且还更分散。
相比下，离心铸件的内部与外部质量比重力铸件要好很多。
重力铸造的叶片从边缘到中心的微观结构没有明显的变化。
而离心铸造的叶片的微观结构比重力铸造更为出色，然而大量的树状γ出现在离心铸造中，这是由于离心铸造件表面的快速冷却速率过快导致。
1.介绍为了获得高的强度，出色的高温性能和好的抗氧化性能，TiAl基的金属合金是潜在的高温结构材料在航空航天和汽车应用，例如低压涡轮叶片、涡轮增压器以及排气阀。
高含量的Nb添加提高了服役温度、强度以及抗氧化性能。
然而，高含量Nb 与TiAl合金在室温下延展性很差，导致低的接卸性能，这限制了工业生产。
熔模铸造可以生产优秀的铸件带着一点点机械性能，所以是生产TiAl合金的优先方法。
然而，铸造的Ti-Al合金有危害特性像大的凝固收缩，高的化学活性和低的延展性，导致滞流，孔隙度和裂纹缺陷。
为了得到高质量的铸件，选择合适的铸造流程和技术参数。
考虑到效率和成本，传统的试错法不再适合现今的工业发展，不仅由于高额的成本还有较长实验的时间。
数值模拟技术相比比常规实验和错误的方法，在铸造缺陷例如收缩和裂纹上表现出较好的优越性。
本次工作，用数值模拟方法来研究高Nb-TiAl合金的叶片铸件的熔模铸造，包括重力和离心工艺过程。
真实的实验被用来验证模拟结果和分析铸件中出现的缺陷。
对比与学习这两种过程的微观结构。
2.实验方法2.1铸造模拟的数学模型流动的金属液被假定为不可被压缩的牛顿流体，在浇筑和凝固中的控制方程给定如下：Navier-stokes方程：连续方程：热传递方程：ρ是密度；u、v、w是速度向量；t是时间；μ是液态金属动态粘度；g x、g y、g z是分别在x、y、z重力加速度向量；P是压力；Cp是液态金属的比热；λ是导热系数；L是潜伏热；fs是在凝固阶段的固相比。
ProCAST 熔模铸造过程数值模拟
熔模铸造过程数值模拟—国外精铸技术进展述评北京航空航天大学陈冰20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着此项技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。
其中，A FSolid (3D)（美国）, PASSAGF/POWERCAST（美国）、MAGMA（德国）、PAM-CAST（法国）、ProCAST（美国）等最具代表性。
尤其值得一提的是由美国UES公司开发的ProCAST，和美国铸造师协会(American Foundrymen's Society)开发的 AFSolid(3D)，它们代表了二种不同类型的软件系统。
一. 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者——ProCAST早在1985年，美国UES Software Co.便以工程工作站/Unix为开发平台，着手开发ProCAST[1]。
为了保证模拟结果的准确性，ProCAST一开始就采用有限元方法(FEM)作为模拟的核心技术。
自1987年起，开发用于熔模铸造（精铸）的专业模块。
1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也参加ProCAST部分模块的开发工作。
2002年，UES Software和Calcom SA先后加盟ESI 集团（法国）。
通过联合，ESI集团在虚拟制造领域的领先地位进一步增强。
现在，ProCAST也有微机/Windows或Windows NT版本。
三维几何造型模块支持IGES、STEP、STL 或Parasolids等标准的CAD文件格式。
Meshcast模块能自动生成有限元网格。
它的凝固分析模块可以准确计算和显示合金液在凝固过程的温度场、凝固时间，以及固相率变化，同时，从孤立液相区、缩孔／缩松体积分数、缩孔／缩松Nyiama （新山英辅）判据等三方面，帮助铸造工程师分析判断缩孔／缩松产生的可能性和具体位置(见图1) [2]。
针对熔模铸造热壳浇注的特点，ProCAST传热分析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝固过程的影响, 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别重要。
研究生Procast课程论文
图4-1冲头零件充型过程
从上图中可以看出，所涉及的方案在充型过程平稳、迅速，充型时间到15秒时，铸件已基本充满，无卷气和夹杂产生。
4.3冲头铸件凝固过程分析
铸件的凝固过程决定了缩孔缩松等铸造缺陷的大小和分布。为了验证由浇注系统、冒口组成的铸件温度控制体控制铸件凝固方式的能力，对冲头铸件凝固过程进行模拟，分析浇冒口系统设置的合理性。冲头凝固过程示如图4-2所示。
AFS
Solidification
System
美国Finite Solutions公司
三维有限差分程序，可模拟铸件的凝固过程，预测缩空和热节以及缩松等，可进行铸造工艺优化设计。
PAM-CAST/SIM
ULOR
法国Aluminum Pechiney
可模拟铸件充型和凝固过程，并能预测缩孔和疏松。
MAGAMA
表3-1铸造工艺模拟软件表
名称
开发商
简介
Pro CAST
美国UES公司
有限元软件，可模拟铸造过程中温度场、流场、应力场，可模拟充型过程和凝固微观组织结构、应力分析、电磁场等，软件提供了数据库、自动网格抛分和复杂的可视化工具，适用于各种铸造工艺设计。
View Cast
比利时金属加工中心
铸造过程模拟辅助工艺设计商业软件，可模拟凝固过程温度场、固相分数、液态金属停止流动的时间以及充型过程中的速度场等，主要用于铸造缺陷预测和浇注系统设计。
{1)它必须能预测该工艺过程能产生哪些问题，铸件中缺陷气孔、缩孔、冷隔、夹杂、砂蚀和热裂的位置，以及如何在综合考虑不同生产细节的前提下，采用合适的方式解决这些问题；
(2)需要在模拟中考虑更多的影响因素，建立更加完善符合实际情况的宏观和微观相统一的模型，并开发更加完善的既侧重铸造工艺又有友好可视前后处理界面图形的CAD软件；
基于ProCAST的主轴箱铸造工艺数值模拟及优化
基于ProCAST的主轴箱铸造工艺数值模拟及优化主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把动力传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向[1]。
其工作性能的好坏直接影响到机床运行的可靠性和安全性。
因此，对箱体的力学性能有较高要求。
工厂中，箱体与其他部件装配在恒温室进行，可见对其精度有较高要求。
因此在工艺设计中，需保证铸件精度与质量，在此前提之下，考虑成本的降低与工艺中污染的减少。
采用数值模拟软件对铸件的温度场、流场以及凝固过程进行模拟计算，能够有效预测铸造过程中出现缺陷的具体位置以及大小，并可以通过优化工艺参数有效地消除这些缺陷。
与传统的“经验+试制”的方法确定铸造工艺参数相比，数值模拟技术能够大大缩短开发周期，降低开发成本，是目前最具竞争力的铸造工艺研究方法，得到行业的一致认可[2～4]。
合肥工业大学刘继飞等[5]运用ProCAST仿真软件对低合金钢大转轴铸件进行了仿真分析，并结合温度场、凝固场的模拟结果分析缺陷产生的部位以及原因，优化了工艺参数后减少了缺陷，提高了铸件的合格率。
邢甜甜等[6]利用仿真软件对铝合金横梁铸造过程进行了模拟，分析了横梁缺陷产生的原因，并提出了合理有效的解决方法。
笔者运用UG软件对铸件进行三维模型设计并导入到模拟软件ProCAST中，对主轴箱充型和凝固过程进行模拟仿真，通过分析铸件的凝固时间以及固相分数模拟结果，预测铸件缺陷可能产生的位置和原因，最后改进并优化工艺方案，提高铸件质量，满足铸件使用要求。
1 主轴箱结构特征分析笔者所研究主轴箱零件三维实体如图1所示。
零件外形轮廓尺寸为468 mm×360 mm×344 mm，质量95 kg，材质为HT300（具体化学成分和性能见表1和表2），平均厚度为20 mm；内部有个轴孔直径为130 mm，箱体本身存在许多孔，其大小小于铸出孔范围标准，所以决定后期加工。
铸件品质要求不得有疏松、裂纹、气孔、砂眼等铸造缺陷，其余要求符合国家和行业标准。
调节片熔模铸造过程的应力数值模拟
调节片熔模铸造过程的应力数值模拟洪耀武;王铁军;韩大平;许庆彦;柳百成【摘要】采用商用软件ProCAST对调节片熔模铸造过程的应力进行数值模拟,分析调节片凝固过程中的应力变化情况,结果表明:裂纹缺陷处应力较大,凝固较慢.针对调节片裂纹的成因,提出在裂纹处增加内浇道的改进工艺方案,并对其在改进工艺下的铸造应力进行数值模拟.模拟结果表明:改进方案可明显减小原方案裂纹处的应力,消除该处裂纹缺陷,提高产品合格率.实际生产表明:改进方案明显消除了原方案的裂纹缺陷,合格率提高了30％.%The commercial software ProCAST was used to simulate the stress of adjustment sheets during the solidification, and then the stress change tendency of the adjustment sheets during the solidification was analyzed. The results indicate that the stress is bigger and the solidification is slower in the places where the crack defects may easily happen. The casting stress of an improved scheme for adjustment sheets was also simulated. The simulated results show that the improved scheme can reduce the casting stress and get higher yield. The real production indicates that the improved scheme can eliminate defect and increase the yield by 30%.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2012(022)007【总页数】7页(P1897-1903)【关键词】铸造应力;数值模拟;调节片;熔模铸造【作者】洪耀武;王铁军;韩大平;许庆彦;柳百成【作者单位】清华大学机械工程系,北京100084;清华大学先进成形制造教育部重点实验室,北京100084;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,沈阳110043;沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司,沈阳110043;清华大学机械工程系,北京100084;清华大学先进成形制造教育部重点实验室,北京100084;清华大学机械工程系,北京100084;清华大学先进成形制造教育部重点实验室,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TG21+3Abstract:The commercial software ProCAST was used to simulate the stress of adjustment sheets during the solidification, and then the stress change tendency of the adjustment sheets during the solidification was analyzed. The results indicate that the stress is bigger and the solidification is slower in the places where the crack defects may easily happen. The casting stress of an improved scheme for adjustment sheets was also simulated. The simulated results show that the improved scheme can reduce the casting stress and get higher yield. The real production indicates that the improved scheme can eliminate defect and increase the yield by 30%. Key words:casting stress; numerical simulation; adjustment sheet; investment casting调节片作为航空发动机矢量喷口的重要部件，其在熔模铸造过程中容易产生裂纹缺陷，本文作者利用ProCAST软件对铸造过程产生的应力进行了数值模拟和分析，其研究对解决实际问题具有指导意义。
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熔模铸造过程数值模拟—国外精铸技术进展述评北京航空航天大学陈冰20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着此项技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。
其中，A FSolid (3D)（美国）, PASSAGF/POWERCAST（美国）、MAGMA（德国）、PAM-CAST（法国）、ProCAST（美国）等最具代表性。
尤其值得一提的是由美国UES公司开发的ProCAST，和美国铸造师协会(American Foundrymen's Society)开发的 AFSolid(3D)，它们代表了二种不同类型的软件系统。
一. 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者——ProCAST早在1985年，美国UES Software Co.便以工程工作站/Unix为开发平台，着手开发ProCAST[1]。
为了保证模拟结果的准确性，ProCAST一开始就采用有限元方法(FEM)作为模拟的核心技术。
自1987年起，开发用于熔模铸造（精铸）的专业模块。
1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也参加ProCAST部分模块的开发工作。
2002年，UES Software和Calcom SA先后加盟ESI 集团（法国）。
通过联合，ESI集团在虚拟制造领域的领先地位进一步增强。
现在，ProCAST也有微机/Windows或Windows NT版本。
三维几何造型模块支持IGES、STEP、STL 或Parasolids等标准的CAD文件格式。
Meshcast模块能自动生成有限元网格。
它的凝固分析模块可以准确计算和显示合金液在凝固过程的温度场、凝固时间，以及固相率变化，同时，从孤立液相区、缩孔／缩松体积分数、缩孔／缩松Nyiama （新山英辅）判据等三方面，帮助铸造工程师分析判断缩孔／缩松产生的可能性和具体位置(见图1) [2]。
针对熔模铸造热壳浇注的特点，ProCAST传热分析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝固过程的影响, 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别重要。
例如，对不锈钢人体植入物的凝固过程进行模拟时，发现位于模组中部的铸件由于接收到的辐射热比周边铸件多，因而温度偏高，不利于铸件顺序凝固，容易产生缩孔、缩松[1]。
特别值得一提的是，ProCAST特有的辐射分析模块，计及辐射线入射角和遮挡物的影响，模拟对象一旦因相互运动导致辐射线入射角改变或产生遮挡, 该软件将重新自动进行计算，特别适用于定向凝固和单晶铸造。
a) 孤立液相区b) 缩孔／缩松体积分数c) Nyiama （新山英辅）判据图1 ProCAST缩孔／缩松判据图2 热辐射对模组温度场的影响图3 流场与温度场耦合计算自1992年起，ProCAST的流动分析模块便能通过Navier-Stocks流动方程进行流场计算，同时与传热过程耦合(图3) [2]。
不仅模拟金属液的充型过程和状态，同时还将温度场变化显示出来，预测冷隔和浇不到等铸造缺陷(图4) [2]。
此外，它还可以模拟流体通过多孔介质(例如陶瓷过滤器)的流动状态，预测放置过滤器后可能出现的倒流、噎流等现象(图5)。
此外，流动分析模块中，可以对诸如精铸模料在内的非牛顿流体的充型行为进行模拟，是该软件的又一特色(图6) [1]。
图4 浇不足缺陷预测 图5 由于过滤器使用不当造成噎流图6空心叶片蜡模充型过程模拟结果(左) 与实验结果(右)比较图7 铝-镁合金晶间疏松模拟结果(右) 与实验结果(左)比较图8 整铸涡轮残留应力模拟（左）和裂纹预测（右）1994年美国国家航空航天总局(NASA)在调查评估的基础上推荐该软件为美国航空航天领域铸造过程CAE的首选软件。
其后，包括美国Howmet、Pratt & Whitney、PPC、GEAE以及英国Rolls-Royce 等世界著名的航空航天精铸企业纷纷选择ProCAST作为铸造工艺分析和新产品开发的重要工具。
图8所示为ProCAST新近发布的对整铸涡轮残留应力模拟和裂纹预测结果[3]。
ProCAST 2004公布的对铝-镁合金晶间疏松(图7) [4]、整铸涡轮铸造晶粒结构模拟（图9）[3]，和空心单晶叶片晶体生长过程的模拟结果(图10)[3]，标志着该软件已经将铸造晶粒组织和微观结构模拟提升到一个新水平。
图9 整铸涡轮铸造晶粒结构模拟 图10 单晶铸造空心叶片单晶生长过程模拟二．充型-凝固过程模拟和浇道优化设计一步完成[5]AFSolid开发始于1985年，它最初是以微机/DOS 为平台的一套二维系统，1993年后升级为三维。
三维几何造型模块支持AutoCAD以及IGES、STL和DXF等几何图形文件格式。
计算方法采用有限差分法，流动和传热计算进行了适当的简化处理，可以说是一种简化版的模拟软件，适用于包括砂型、熔模、金属型、压力铸造等在内的多种铸造方法。
其功能虽不能和ProCAST等高档软件相提并论，但价格便宜，目前在全球40多个国家拥有410多家用户，其销售量号称世界之最，用户大多为生产商业铸件的中小型精铸厂。
近来，美国Finite Solutions Co.与美国铸造师协会合作，将多变量优化运算软件链接到AFSolid凝固模拟软件中，使凝固过程模拟与工艺优化一步完成，使计算机模拟的效率大为提高。
众所周知，仅仅通过一模拟，其结果往往很难令人满意，所以工程技术人员就必须根据自身的经验和知识对首次模拟结果进行分析，修改工艺方案和设计，再进行下一次模拟，经过反复多次模拟和修改，最终才能获得满意的工艺方案或参数。
可见，这种方法其实是用计算机试错法来代替生产现场的试错法。
当然效率明显提高，也降低了成本。
但是，计算机反复试错，也需要耗费较多的机时。
针对这一问题，美国Finite Solutions Co. 提出将多变量优化运算软件链接到AFSolid凝固模拟软件中，进行二次开发，使模拟与优化一步完成，从而使计算机模拟的效率大为提高。
目前已经有不少现成的商业软件可用来进行工程问题的优化运算。
Finite Solutions Co.从中选择了当前流行于汽车零部件和结构设计的HyperOpt (开发商:Altair Engineering Inc.)。
优化运算通常要求有三个前提: 即设计变量、约束条件和目标函数。
设计变量是指具体的设计特征，可以是几何特征，如冒口直径、高度，横浇道和内浇道尺寸等，也可以是工艺参数，如浇注温度、型壳焙烧温度等。
设定设计变量时需要给出最大、最小和正常值。
约束条件是指工艺条件的上限和下限。
约束可被指定为一个最小值(所得的最终结果数值应等于或大于给定的约束值)或最大值(所得的最终结果数值应等于或小于给定的约束值)。
每一次优化运算，可以指定一个或多个约束，例如约束可以是允许存在的最大的疏松级别或可以接受的最低的工艺出品率等。
目标函数是指预期目标。
用户只能选择一个目标函数并指定该函数的最佳值(最大或最小值)。
例如如果以缩孔缩松程度为目标函数，此时最小值为最佳；如果选择工艺出品率作为目标函数，当然最大值最佳。
值得强调指出的是，每一次优化运算，只能指定一个目标函数。
模拟-优化运算步骤下:首先建立一个初始的工艺设计，包括浇注补缩系统和铸件的三维几何模型和所有相关材料的数据；然后选择设计变量、约束和目标函数；再启动软件自动进行模拟-优化运算，计算机运行过程中不断按原先设定，自动更改设计变量，检查是否违反了约束条件，搜索并确定目标函数最佳值。
从缩短模拟计算时间的角度考虑，计算方法采用有限差分比有限元法更为有利。
而AFSolid的计算方法正是采用有限差分法，所以运算速度快。
例如对一个需要上百万甚至更多单元才能准确表达清楚的复杂铸件，在目前新型的个人电脑上进行一次模拟计算，运行时间还不到30min。
需要进行16次连续模拟的优化运算也只要一天就轻松地完成了。
而采用某些其它软件进行类似的工作往往需要几周时间。
应用实例——不锈钢精铸接头重13.2磅。
图11a所示为原始铸造方案。
由图11b所示凝固时间模拟结果可见，其顶部红色部位正处在横浇道下方，受横浇道高温区热辐射影响冷却慢，得不到有效地补缩，容易产生缩松。
图11 不锈钢精铸接头原始铸造方案及模拟结果a)铸造方案 b) 凝固时间模拟结果更改设计变量包括内浇道尺寸(只改动水平方向尺寸，图12上)和横浇道尺寸(水平和垂直方向尺寸同时改动，图12下)，总共更改3个设计变量；以铸件材质密度最小值为健全铸件的99.8%作为约束条件(即疏松度最大值为0.2%)；以工艺出品率最大为目标函数。
然后进行包含15次模拟(含充型分析)的模拟-优化运算。
在Pentium III-1GHz微机上运行只需1小时零7分钟。
每完成一次模拟，系统都会自动更改浇道尺寸，同时，进行网格剖分，建立新的型壳几何模型，应用热辐射观察因子计算型壳温度场。
采用经模拟-优化的工艺设计后(图13上)，缩孔已从铸件中被排除到浇道中(图13下)，缩松减少50%以上。
对比图11a和图13上，内浇道减小为原先的85%，而横浇道水平和垂直尺寸分别减小到为原先的53%和86%，浇注系统总重量减少了6.75kg，工艺出品率由30%增加到46%。
按每年生产铸件2500件计，每年节省金属材料费用37500美元，省电16500 kW·h。
三．当前推广应用计算机仿真技术存在的问题1．数据库数据匮乏数据库数据匮乏是当前熔模铸造过程仿真技术普遍存在的问题。
某些材料（例如特殊合金材料和某些型壳材料）的热物理性能数据，尤其是界面传热系数，很难寻觅。
国内情况就更为严重，各种合金和型壳材料的热物理性能数据几乎全部来自国外文献资料。
真正按照国内材料和工艺，由实验方法测出的数据可以说是一片空白，这不能不说是一个很大的缺憾。
对比国外，早在1978年,美国精铸年会上发表的题为“Factors Affecting The Solidification of Investment casting”、“Fundamentals of Solidification”和 Arizona大学长达100页的长篇论文“The Thermal Conductivity of Shell Investment Materials ”，为建立熔模铸造过程仿真所需的基础数据库奠定了坚实的基础。
而ProCAST 除内含基本的材料性能数据库外，还拥有独特的合金热力学数据库。
它以新兴的计算材料学为基础，由英国的ThermoTech公司开发。
利用这个独特的数据库，用户只需输入合金化学成分，计算机便可自动求算出液、固相线温度、凝固潜热、比热容和合金密度随温度的变化等热物理参数。
图12 更改设计变量(上——更改内浇道尺寸，下——更改横浇道尺寸)图13 更改后的工艺设计(上)和模拟结果(下)2．图形数据文件标准化和相互交流CAD数据文件的转换和标准化也是一个十分重要的问题。