1、铸造仿真软件项目建议书 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）铸造仿真软件项目建议书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
2、，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
3、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
4、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, Umico
5、re, MKM, Selee (filters), Kawasaki steel, 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
6、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
7、Annapolis的UES Software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Calcom SA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Calcom SA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
8、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
9、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（high and low pressure die casting） 砂模铸造，金属型铸造和斜浇注（sand casting, gravity die casting and tilt pouring） 熔模铸造，壳模铸造（investment casting, shell casting） 消失模铸造和离心铸造（lost foam and centrifugal casting） 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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(Mushy Zone)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
16、合模拟。主要特点可用的确定性模型： 等轴枝晶(DAS) （equiaxed dendritic (DAS)） 耦合共晶（coupled eutectic） 球墨铸铁共晶(SGI)（ductile iron eutectic (SGI)） 灰口/白口铁共晶（gray/white iron eutectic） 铝铸造温度分布及钢模具中的应力分布球墨铸铁共析（ductile iron eutectoid） 灰口铁共析（gray iron eutectoid） 包晶转变（peritectic transformation） Scheil模型（scheil model） 铁/碳固态转变（iron/car
17、bon solid state transformation）颗粒结构模拟颗粒结构模块基于随机方法（细胞自动机（cellular automation）和有限元（CAF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燃气涡轮叶片定向结晶的颗粒结构和颗粒christallographic orientation结果显示在完美的控制条件下，通过铸造获得单晶。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
18、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。全新的图形用户界面，多窗口、页面操作方式，支持脚本化操作。VisualCAST后处理器提供了下列演变的即时过程信息： 金属前端发展（Metal front progression） 内部气泡（Air entrapments） 温度场 压力云图 凝固数据（Solidification data） 速度矢量 应力和变形 微结构值 粒子轨迹显示VisualCAST提供很
19、多功能来报告及显示过程结果，包括： 云图 矢量图 截面及切平面 X-Y曲线图 动画，图形及影片输出能够轻松直接交换信息和通信，结果还可以用变化的标准格式输出到其他CAE解决方案中。 高压压力铸造应用的温度云图 热循环模拟中的温度变化低压铸造 高压铸造粒子轨迹示踪 金属前端发展凝固模拟 部件变形金属围绕一个核的前端发展 发动机缸体变形高压铸造中金属和空气的可视化结果 铝合金轮毂气隙预测硬件平台ProCAST已经过下列硬件平台的测试和验证平台处理器操作系统图形选项PC Intel 32 bits Windows NT Windows 2000Window XP3D card OpenGLHP PA
20、-RISC HP-UX 3D card X11OpenGL SGIMIPS 4 IRIX64 3D card X11 OpenGL SUNUltraSparc II & IIISunOS 3D card X11 OpenGL IBM Power 3 & 4AIX 4.3.3 AIX 3D card X11 OpenGL COMPAQAlpha EV6OSF1 - 3D card X11 OpenGLLinux*Intel / AMD 32 bits Redhat 3D card Xfree86 OpenGL6Procast软件效果预评考题是钛合金铸件，xx室在生产过程中需要了解该铸件在现有工艺
21、下可能出现缺陷的位置及缺陷形成原因。根据工艺室提供的铸件图纸及工艺条件，采用ESI的ProCAST2005仿真分析软件对该铸件铸造过程进行了模拟及分析。模拟过程共分为以下几个步骤：三维模型建立；网格划分；工艺条件与计算参数；数值计算；结果显示；分析及建议。6.1三维模型建立三维图形见图2院示，造型采用功能强大的UG 。图2. 铸件三维实体该零件浇注系统设计中，一次浇铸8个铸件，采用对称排列，带工艺的铸件形式如图3。由于整个模型是对称结构，且各种工艺条件也对称设置，因此数值模拟时可以仅计算1/4结构。图3. 阀体工艺三维模型完整的计算模型见图4。6.2网格划分将三维实体输出，并进行有限元网格划分
22、，划分结果见图5。总节点数为387,481，其中铸件节点151,073，总单元数1,866,792。图4. 完整三维计算模型图5. 网格划分结果6.3工艺条件与计算参数整个浇注、凝固过程在真空环境下完成，真空度小于。预计浇注时间， 浇注温度约1720?C。一次浇注8个铸件，采用两级浇道系统。1边界条件包括浇口温度、流量、铸型外表面、铸件铸型间界面以及1/4模型的对称面。浇口温度1720?C，速度1.289m/s1/4模型的两个对称面铸型外面壁面温度20?C铸件/铸型界面换热系数1000W/m2K图6. 边界条件设定3初始条件实际工艺中，铸型可能进行了加热处理，初始条件设为铸件材料1720?C，
23、铸型材料100?C。6.4数值计算铸造过程模拟是一个瞬态问题，随着时间的推进计算流动形态及凝固顺序。使用配置为P4 3.4G/MEM 2G的机器进行了模拟计算。计算中可进行实时监控，了解充型及凝固进度，并可图形化显示已计算结果。6.5结果显示1充型过程温度场阀体铸件充型过程是一个随时间变化的瞬态过程，充型共完成。计算院得结果见图7院示。为清楚起见，我们取颜色标尺为15001720。t=t=t=t=t=t=t=t=图7. 充型过程2凝固过程温度场阀体铸件凝固过程的计算结果见图8。t=t=t=t=t=t=t=t=图8. 凝固降温过程3固相率分数为了更加清楚地观察阀体铸件的凝固过程，我们同样取上述时
24、刻下，固相分数小于的部分显示如图9。t=t=t=t=图9. 固相率变化过程4缩孔缩松位置 钛合金阀体在凝固过程中收缩非常剧烈。根据以上结果，可以计算出缩孔缩松的趋势，显示如图10。图中颜色标尺表示收缩趋势或可能性，1为完全收缩成空腔，大于可认为形成或可能形成缩松缩孔。图10. 凝固终了时缩孔缩松趋势 图中可以看出，由于钛合金凝固收缩剧烈，在一级直浇道与横浇道内收缩形成很大空腔（）。随着凝固的进行，在铸件的厚大部位也容易形成收缩缺陷。在两侧的圆法兰圆周方向均可能出现缩孔，而在法兰顶部收缩最剧烈（）。在底部方法兰周向，同样可能出现缩孔（）。在阀体中部两侧管道连接处的圆台内部，由于壁厚较大，也可能出
25、现缩孔（）。5凝固时间凝固时间同样是判断零件收缩缺陷的一种方式。一般说来，对收缩倾向比较大的铸件，后凝固的部位如果没有合适的补缩方式，则极易引起收缩缺陷。阀体凝固时间见图11。 图11. 铸件凝固时间云图（仅显示超过5s部分）凝固时间结果与缩孔判据结果基本一致，在圆、方法兰等厚大部位凝固时间更晚，容易出现收缩缺陷；浇道内部凝固更慢，会收缩成空洞。6.6分析及建议1模拟结果小结通过对钛合金阀体铸件的模拟仿真过程，可以辅助工艺设计工程师分析现有工艺条件，并根据结果改进设计条件及参数。从模拟结果可以看出主要的缺陷为收缩产生的缩孔。根据随时间变化的结果，可以看到，在中部阀体壁面的薄壁区温度下降最快，最
26、先开始凝固，法兰及浇道起到冒口的作用可以适当补缩，因此该区域的收缩缺陷基本是局部小量的。三个法兰由于壁厚，热量集中，因此凝固最晚。在这些厚大位置，包括圆法兰端面内部沿圆周方向（顶部可能性更大）、方法兰端面（四个角部可能性更大），出现缩孔的趋势比较显着。此外，阀体两侧管道在中部交汇，连接两个管道的圆台内部也容易出现缩孔。2模拟仿真过程优化方案阀体铸件数值模拟是以目前工艺人员对实际工艺条件的估算为基础进行的，部分关键参数在实践中难以精确测得或控制，这些参数对模拟结果的影响比较大。为了使数值仿真工具成为工程技术人员有力的辅助设计工具，在日后的模拟仿真过程中可酌情采取改进措施，包括：（1）尽量准确地估
27、计浇注温度及浇注时间，同时采用ProCast的反算模块（Inverse Module）与部分实测温度结果结合，反推出更精确的浇注温度变化过程；（2）由于材料的热物性参数多与温度变化相关，因此采用变热物性参数可使得模拟计算更加准确。包括铸件钛合金材料、铸型石磨材料等。（3）铸件与铸型界面的接触热阻是凝固计算中的一个关键参数，对界面换热现象目前还处于研究阶段，没有一个清楚准确的普适模型。在确定了工艺条件的基础上，采用反算模块（Inverse Module），根据实测温度曲线与计算温度曲线对比，同样可以较为准确地得到铸件/铸型间的换热系数。3工艺过程改进建议以现有模拟分析结果为基础，对铸造工艺得出一
28、些改进意见：（1）在圆法兰的顶部，考虑采用一定形式的冒口进行补缩。在法兰端面添加冒口，可使该部位的收缩缺陷得到一定程度缓解。缺点是由于钛合金比较昂贵，冒口容易造成材料浪费。（2）在法兰等厚大部位，考虑添加加快冷却的工艺。如在铸型中贴近法兰的部位增加冷铁，并与石墨一起成型。该方法操作比较麻烦，且由于石墨本身导热效果较好，冷铁会起到一定作用，但并不一定非常明显。（3）考虑增加圆法兰与横浇道接触形式，使得该横浇道凝固缓慢，对圆法兰顶部起到补缩作用。xx室的工艺人员对模拟结果比较满意，认为与实际非常接近，对于院得出的建议认为比较中肯，整个模拟结果对该项目的进展起了很大的推动作用。7Procast软件在
29、我院使用构想7.1铸造模拟解决方案使用部门 根据我院需要解决的铸造问题及其对于全面解决铸造问题的整体规划出发，由我院铸造生产及模拟解决流程简图可以看出，需要xx室和铸钢厂工作人员加入到铸造模拟流程中来。图1铸造生产及模拟解决流程简图铸造模拟解决方案硬件需求(1)License服务器主要作用是管理铸造解决方案中院有软件的license文件，为院有的台式机和计算工作站提供license授权服务。(2)计算工作站主要作用是进行计算求解。在实际使用过程中，当需要计算的模型的计算量不大时，可以直接在本机台式机上计算求解；当需要计算的模型计算量很大时，需要把计算文件提交到专门的计算工作站上进行计算求解，使
30、用过程 是在本机工作站远程登陆控制计算工作站，然后利用计算工作站进行需要的计算，计算完成后把计算结果取回来进行本地后处理和生成计算报告。机器用途CPU类型内存硬盘操作系统具体机器推荐License服务器(1台)英特尔奔腾 处理器512M以上40G以上Windows XP专业版Dell PowerEdgeTMSC430计算工作站(1台）双核英特尔至强64位处理器 以上2G以上80G以上Windows XP专业版Dell PrecisionTM6908Procast软件模块配置建议1PROCAST 2006模块编号模块名称模块说明单价（万$）需求 PRO-E-11-2006 Pre-processor 前处理模块，主要用于对三维实体网格进行材料、界面条件参数、边界条件参数和运行参数的设定基本模块 PRO-E-12-2006 Post-processor 后处理模块，
