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目录1背景长期以来，对于铸造工艺的改进主要依靠经验和试验，一直缺乏一套专业的、有效的方法和手段。模拟是控制设计、制造过程并预测产品早期服役可能出现问题的最好解决方法。当前，有限元理论已十分成熟，相应的模拟商业软件也逐步趋于成熟，并在各行各业逐步发挥其巨大的作用。现代制造工艺越来越复杂，性能、精度要求也越来越高，依赖试验的设计手段设计费用越来越高，周期越来越长，也越来越不容易保证可靠性。而从一些发达国家的经验来看，仿真技术的应用可以大大减少试验的比重，减少了设计的盲目性，节省巨额的设计费用，设计周期也大大缩短。从我院专业发展的角度看，急需在数值仿真这一方面提高一个层次，实现我院研发能力的跨越式发展。铸造仿真软件的开发是一项技术含量很高、专业性很强的工作，作为一个设计单位，自行开发不切实际。国内一些专业单位开发的同类产品在实用性、规范性和易用性等方面都有不足。ESI集团的ProCAST是业界领先的铸造过程模拟软件，基于强大有限元求解器和高级选项，提供高效和准确的求解来满足铸造业的需求。与传统的尝试－出错－修改方法相比，ProCAST是减少制造成本，缩短开发时间，以及改善铸造过程质量的重要的、完美的解决方案。2铸造模拟仿真对我院的作用引进ProCAST软件，从短期来看会提高设计和工艺制造水平，在当前在研项目中立即产生效益；而从长远来看，制造工艺计算和仿真手段的大量应用必将彻底改变我院原有的制造工艺方式，最终提高我院铸造工艺的整体水平。2.1铸造仿真对xx室的作用xx室目前有很多钛合金铸件的铸造过程需要模拟来解决，其主要原因是：一、采用传统的试错法，费用昂贵、周期太长；二新产品大多没有经验可以借鉴，院以工艺摸索时间比较长，尤其是一些钛合金材料。2.2铸造仿真对铸钢厂的作用铸钢厂目前某些件的铸造出品率不是很高，引进铸造模拟仿真软件将大大节省提高铸钢厂的铸造工艺出品率和工艺水平，大大缩短生产周期，有效的提高劳动生产率。另外铸造模拟仿真对于我院技术的传承也很有帮助，通过仿真我们可以将铸造技术和经验进行科学的直观的描述和记录，使得过去的一些抽象的经验变为简单明了的纸面文档进行记载和保存，有利于铸造技术的延续和资源共享。3铸造仿真软件的调研与考核经过上述分析，铸造仿真软件的引入是十分必要的，它对我院的虚拟制造技术和铸造技术的发展将起到极大的推动作用。因此我们对市面上的铸造仿真软件进行了调研和考核。由于我们院情况特殊，新材料较多，院以精铸和自动根据化学成分计算合金热物理性能的热力学数据库对我们显得尤为重要，而procast相对这两方面最好，而且升级及功能又最全，以及同类企业（国内如621、410、430、百慕等；国外如Alcoa,Alcan,Umicore,MKM,Selee(filters),Kawasakisteel,Mitsubishi,Pechiney,Hydro,Elkem,VAW等）的铸造CAE系统的选用情况，最终选定专业铸造软件Procast作为我院铸造仿真的工具。4软件开发商法国ESI集团简介ESI集团是在法国巴黎上市的世界最大最着名的CAE软件公司之一。作为虚拟测试方案的先锋，ESI集团是全球首屈一指的材料物理学数值模拟原型和制造流程供应商。ESI集团成功的关键在于使用真实材料物理特性，能够进行更真实的模拟，来代替耗时的物理样机尝试和纠错过程。ESI集团开发了一系列完整的面向工业应用的产品，真实模拟产品在测试中的性能，精细协调制造过程与预期的产品性能间的关系，并评估环境对产品使用的影响。ESI集团主要产品分为虚拟样机、虚拟制造和虚拟环境三大类。ESI集团的产品组合，已经被工业界广泛验证并与多向价值链相结合，代表着独特的协同、虚拟工程方案，称为虚拟试验空间（VTOS），能够持续对虚拟样机进行改进。ESI集团在军工界有大量客户，并承担了法国及欧洲众多航空航天及防务方面的咨询项目。2005财政年度的收入约为6300万欧元，在全球拥有逾近600名高层次专家。公司及其全球代理网络为30多个国家的客户提供销售和技术支援。5Procast软件特点背景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。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向模块开发上贡献良多。2002年，ProCAST和CalcomSA先后加入ESI集团。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）整合了Calcosoft（连续铸造仿真），与PAM-CAST（有限差分元铸造仿真）、SYSWELD（热处理与焊接模拟）一起组成ESI完整的材料热处理成型综合解决方案。功能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是院有铸造模拟软件中现代CAD/CAE集成化程度最高的。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。适用范围模块化设计适合任何铸造过程的模拟。高、低压铸造（highandlowpressurediecasting）砂模铸造，金属型铸造和斜浇注（sandcasting,gravitydiecastingandtiltpouring）熔模铸造，壳模铸造（investmentcasting,shellcasting）消失模铸造和离心铸造（lostfoamandcentrifugalcasting）等等材料数据库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还拥有铝基、铁基、钛基、镍基和铜基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。铜部件的低压模铸造船用发动机本体的沙模铸造ProCAST提供了能够预测评估整个铸造过程的完整软件解决方案，包括模型填注，凝固，微观构造和热力的模拟。能够快速可视化铸型设计的影响，使得制造过程的早期能够做出正确的决策。特点和规格ProCAST是完整的模块软件解决方案提供众多的模块和工程工具来满足铸造业最复杂的要求。在过程的每个阶段选择每个特定模块：模填充的流体求解器包括半固体材料，消失模和离心铸造用于凝固和收缩预测的热求解器包括辐射选项应力求解器包括热应力和变形而且，还可以选择一些专门和高级金属选项来预测：气体和微孔铁合金的微观构造颗粒结构形式ProCAST共有九个模块，下面分别阐述相应的功能。模块功能示意图网格划分与工具MeshCAST，ProCAST的CAD界面和网格生成器，将设计和工程阶段高效联系在一起。能够快速准备创新的设计方案，同时保证快速和可靠的计算。主要特点自动生成三维网格CAD/CAE几何通过STEP,IGES,或Parasolid格式导入直接有限元网格导入非常快速的网格生成良好的网格质量和质量检查处理复杂几何模型和多种材料对边和表面可变的网格密度确保流体流动分析的网格熔模铸造的自动shell生成网格布尔运算和网格装配模压铸造铝合金与模具的传热系数通过反向模拟确定发动机体的有限元网格使用网格布尔运算连接不同的组件使用网格装配功能合并部件网格并且自动生成新的特征线反向模拟ProCAST的反向模拟能够通过减小给定位置和时间上计算与测量温度的差异确定材料属性或边界条件主要特点确定时间和温度相关的界面系数确定时间和温度相关的边界条件确定时间和温度相关的材料属性流体求解器ProCAST提供了一个非常突出的流体流动功能来模拟填模，求解全三维N-S方程并耦合能量方程。自由表面正面跟踪方法利用体积流体方法（VOF）。可以在整个凝固过程模拟自然对流和收缩导致的流动。主要特点求解器全三维N-S流体流动方程斜浇注的旋转轴用于模拟夹气和通风的气体建模半固体材料的非牛顿流体流动模型过滤器模型湍流模拟可压流体模型消失模模型粒子跟踪斜浇注应用熔模铸造热求解器热求解器通过考虑传导、对流和辐射能够计算传热。通过焓的形式来描述凝固和固相转变中的潜热。主要特点瞬态，非线性三维热传导热对流和辐射利用焓的形式考虑相变孔隙预测拉模铸造和金属型铸造砂模铸造的虚拟浇注大型钢部件管件收缩预测大型钢部件铸造的热应力应力求解器ProCAST的先进应力求解器能够进行弹性－塑性或弹性－粘塑材料特性全耦合热、流体和应力模拟。更简单的材料模型诸如弹性，vacant或刚体也能考虑。主要特点非线性应力分析自动接触分配和评估（热和力）气隙无限的模型规模温度相关的机械性能辐射辐射模块扩展了热求解器辐射的功能包括角系数的影响。这个模块对熔模铸造过程是必需的，从shell的一个区域到另一个区域的自辐射影响是非常显着的。主要特点包括自辐射影响的准确热分析结果对单晶铸造自动辐射角系数更新包括壳型预热的整个过程模拟快速角系数计算算法在MeshCAST中生成壳有壳层选项气体与微透气性能大多数模拟方案限定孔隙的预测为基于夹杂液体金属演变的宏观孔隙。这种简化方法没有考虑气体和局部收缩起点的显微孔隙度。ProCAST提供了基于显微孔隙度模拟的方法解决这种物理问题。主要特点显微孔隙度预测与宏观孔隙和管缩耦合马许区(MushyZone)的压降气体分离气体溶解度作为温度和金属单元的函数成核和气孔的生长显微构造ProCAST显微模拟模块进行铸造过程中任意位置热历程连同成核和显微结构生长耦合模拟。主要特点可用的确定性模型：等轴枝晶(DAS)（equiaxeddendritic(DAS)）耦合共晶（coupledeutectic）球墨铸铁共晶(SGI)（ductileironeutectic(SGI)）灰口/白口铁共晶（gray/whiteironeutectic）球墨铸铁共析（ductileironeutectoid）灰口铁共析（grayironeutectoid）包晶转变（peritectictransformation）Scheil模型（scheilmodel）铝高压铸造部件第三级活塞压力对氢气孔的影响。受限活塞压缩（上）和高活塞压缩（下）显示了气孔的减少铝铸造温度分布及钢模具中的应力分布铁/碳固态转变（iron/carbonsolidstatetransformation）颗粒结构模拟颗粒结构模块基于随机方法（细胞自动机（cellularautomation））和有限元（CAFé模型）的耦合，能够预测颗粒结构的凝固。主要特点预测柱状和等轴枝晶颗粒结构柱状到等轴的转变柱状结晶区颗粒选择对单晶部件预测杂散晶体晶体结构的演变立体信息颗粒结构直接可视化球墨铸铁部件砂型铸造的珠光体分布PreCAST前处理器可以通过ProCAST图形用户界面来定义各种边界条件。这些丰富的功能能够准确模拟院有铸造情况。院选需要施加边界条件的几何区域可以通过点击和自动选择延伸执行。用户定义的数据可以是不变的，也可以随时间或温度变化。VisualCAST专用后处理器VisualCAST后处理器是相当强大而多样的。全新的图形用