铸造模拟软件procast使用指南.docx
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铸造模拟软件procast使用指南.docx
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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:
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01第1页共56页
铸造模拟软件ProCast
使用指南
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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
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2009-2-18编者:
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01第2页共56页
1序言……………………………………………………………………………………………………………..32ProCast软件主界面…………………………………………………………………………………………….3
2.1ProCast适用范围……………………………………………………………………………………….4
2.2ProCast模拟分析能力………………………………………………………………………………….4
2.3ProCast分析模块……………………………………………………………………………………….53ProCast和常用软件的接口…………………………………………………………………………………….9
3.1ProE网格划分………………………………………………………………………………………….9
3.2GeoMesh前处理……………………………………………………………………………………….124网格处理模块MeshCast的………………………………………………………………………………….16
4.1Open…………………………………………………………………………………………………….17
4.2Repair………………………………………………………………………………………………….17
4.3在修补环境中生成表面网格模型…………………………………………………………………….19
4.4在Meshingenvironment中编辑表面网格………………………………………………………….19
4.5GenerateTetMesh…………………………………………………………………………………….215前处理模块PreCast………………………………………………………………………………………….23
5.1Geometry……………………………………………………………………………………………….23
5.2Materials……………………………………………………………………………………………….23
5.3Interface……………………………………………………………………………………………….24
5.4BoundaryConditions………………………………………………………………………………….24
5.5Process………………………………………………………………………………………………….26
5.6InitialConditions…………………………………………………………………………………….27
5.7RunParameters…………………………………………………………………………………….286求解模块DataCast和ProCast……………………………………………………………………………….357后处理模块ViewCast……………………………………………………………………………………….37
7.1FieldSelections……………………………………………………………………………………….38
7.2Displaytypes………………………………………………………………………………………….38
7.3DisplayParameters…………………………………………………………………………………….38
7.4Curves………………………………………………………………………………………………….39
7.5GeometryManipulation……………………………………………………………………………….39
7.6图片解说常用功能………………………………………………………………………………..40
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2009-2-18编者:
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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。
通过铸造模拟,产品设计人员可以直观地分析熔融金属的充型顺序和凝固过程中的时间、温度和应力等变化;然后通过对应相关浇注系统、补缩系统和冷却系统的设计(这些辅助系统都在产品之外,但对于产品实现是必不可少的)来保证设计目标的达成。
其间也不排除修改优化产品设计的可能,使得产品除了满足设计要求以外,还能满足铸造工艺性的要求。
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。
本文对ProCast的常用模块和操作进行了介绍,旨在帮助初学者快速熟悉该软件的模块及掌握基本操作命令。
2.ProCast软件的主界面及介绍
网格划分网格划分
网格划分前处理求解模块求解模块后处理计算状态
块
其他模块工作目录
DOS环境
帮助文件
图为ProCast的主界面,包括网格划分、前处理、求解模块、后处理等四大模块。
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2.1ProCAST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ProCASTTM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ProCASTTM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。
2.2ProCAST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。
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。
(a)缩孔
缩孔是由于凝固收缩过程中液体不能有效地从浇注系统和冒口得到补缩造成的。
由于冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷。
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。
(b)裂纹
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,ProCASTTM可以模拟凝固和随后冷却过程中产生的裂纹。
在真正的生产之前,这些模拟结果可以用来确定和检验为防止缺陷产生而尝试进行的各种设计。
(c)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。
充型过程中的紊流可能导致氧化夹杂物的产生,ProCAST能够清楚地指示紊流的存在。
这些缺陷的位置可以在计算机上显示和跟踪出来。
由于能够直接监视裹气的运行轨迹,从而使设计浇注系统、合理安排气孔和溢流孔变得轻而易举。
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(d)冲砂
在铸造中,有时冲砂是不可避免的。
如果冲砂发生在铸造零件的关键部位,那将影响铸件的质量。
ProCAST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则能很容易确认最终夹砂的区域。
(e)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、金属液温度过低等都会导致一些缺陷的产生。
通过传热和流动的耦合计算,设计者可以准确计算充型过程中的液体温度的变化。
在充型过程中,凝固了的金属将会改变液体在充型中的流动形式。
ProCAST可以预测这些铸造充型过程中发生的问题,并且可以随后快速地制定和验证相应的改进方案。
(f)压铸模寿命
热循环疲劳会降低压铸模的使用寿命。
ProCAST能够预测压铸模中的应力周期和最大抗压应力,结合与之相应的温度场便可准确预测模具的关键部位进而优化设计以延长压铸模的使用寿命。
(g)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。
ProCAST可以虚拟测试各种革新设计而取之最优,因此大大减少工艺开发时间,同时把成本降到最低。
(h)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,因而无法在实际操作中长时间连续监控所有的参数。
然而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,这使得实际车间的工作左右为难。
ProCAST可以让铸造工程师快速定量地检查每个参数的影响,从而确定为了得到可重复的、连续平稳生产的参数范围。
2.3ProCAST分析模块
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。
它主要由八个模块组成:
有限元网格划分MeshCAST基本模块、传热分析及前后处理BaseLicense、流动分析Fluidflow、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,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。
对于铸造模拟有更高要求的用户则需要有更多功能的其它模块。
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标准模块:
附加模块:
*基本模块(传热分析模块)*应力分析模块
*流体分析模块*辐射分析模块
高级模块:
工具模块:
*晶粒结构分析模块*网格生成模块Meshcast
*微观组织分析模块*反向求解模块
(a)基本模块(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,或者是时间或温度的函数。
ProCAST配备了功能强大而灵活的后处理,与其它模拟软件一样,它可以显示温度、压力和速度场,但又同时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射线的方式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,温度梯度等等。
(b)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。
过滤模型:
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
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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。
(c)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。
(d)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。
(e)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/共析灰口/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、渗炭体和珠光体的成分、
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多少以及相应的潜热释放。
(f)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。
(g)网格生成模块MeshCAST:
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PAMSYSTEM和GEOMESH无缝连接。
MeshcastTM同时拥有独一无二的其它性能,例如初级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。
(h)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。
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,以最大限度的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性能数据。
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3.ProCast和常用软件的接口
ProCast是基于有限元法的CAE软件,其有限元网格可以直接由网格模块MeshCast依次进行面网格、体网格划分,也可以通过ProE的有限元模块划分好面网格,然后导入MeshCast中生成体网格。
其中在直接使用MeshCast网格划分时,由于几何体存在破面、坏面等问题,在MeshCast中修复比较复杂繁琐,建议使用Geomesh进行前处理,然后导入到MeshCast中,这样可以大大减少工作量。
3.1ProE网格划分
ProE网格划分需在有限元分析模块Mechanica下进行。
如图所示,在“应用程序”下进入该模块。
在MechanicaModelSetup中,勾选“有限元模式”。
在“属性”中选择材料,并为各部件分配材料。
(注:
此材料分配为进行网格划分的必要操作,不影响后续计算)
通过“网格控制”控制生成网格的大小。
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控制类型见图。
其中常用的有“MaximumElementSize”和“MinimumElementSize”,分布控制产生的最大和最小网格。
可以在references(参考)下拉菜单中选择网格控制的方法,包括体、面、边等。
当类型和参考选定后,在网格大小中输入合适的数值。
在模型树里可以看到网格划分的控制设置,并可以编辑修改。
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选择“网格”----“创建”,网格类型选择Boundary,壳元素类型默认为三角形面网格。
点击“起始”。
生成网格后,关闭下面对话框。
若出现问题未能生成网格,建议减小网格大小,或修改数模模型。
“分析”----“有限元求解”,弹出对话框,默认设置,“OK”,输入名称,“OK”,即可。
保留文件为*.ans格式,可以用MeshCast直接打开,然后划分体网格。
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2009-2-18编者:
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3.2Geomesh前处理
Geomesh能够完全自动划分网格,并且提供了几何体自动清理、重构等高级功能。
本指南主要对其自动清理修复几何体的功能进行介绍。
在Geomesh中读入CAD文件,推荐使用:
step,igs,stl等标准格式。
选择“Meshing”菜单下的“CreateMesh”命令,或点击相应按钮,则出现如图所示:
网格划分界面。
以后的所有操作都将在该界面内完成。
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2009-2-18编者:
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首先,点击“Advanced”按钮,设定要自动分析、修复的特征类型。
默认情况下,所有选项都处于“选中”状态。
去掉其中的“RemoveSmallFaces”和“ManifoleModel”两项,其他的滑动条可以根据经验自己调整,也可以使用默认值。
不使用“RemoveSmallFaces”可以保持所有细微特征。
只有当导入的几何体包含多个部分时,才使用“ManifoldModel”选项。
并且该选项不会影响输出的.gmrst文件。
设定初始误差值,也可以使用默认值0.1。
推荐设该值为模型所在立方体对角线的1/10000。
用鼠标框选模型,或者“CTRL+A”选中模型,点击“Analyse”按钮,然后点击“Increment”按钮一次。
通过该操作,可以检测出各种需要修复的几何特征。
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2009-2-18编者:
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01第14页共56页
如果CAD模型足够好,将不会出现分析结果。
如果CAD模型不理想的话,会出现如图所示,“FreeEdges”和“MultipleEdges”文件夹,其中列出了存在问题的边。
在工作窗口点击右键,选择“ShowOnlyAnalyse”,来显示存在问题的边(绿色为自由边,紫色为多义边)。
对于一般情况,可以通过增大“Cur”误差值,点击“Increment”按钮来进行进一步的自动修复。
如果该值已经很大,仍有问题,则几何体中可能存在错误的特征,检查这些线存在的位置,找出问题所在,并作必要修改。
经过自动分析、修复,就可以输出.gmrst文件。
这里输出的gmrst文件可以直接由meshcast打开,但与直接导入meshcast生的文件是不同的。
该文件只能在meshcast中直接打开,而不能使用import导入(再次保存后则完全相同)。
经过geomesh处理的文件,一般不需要任何修改即可按正常步骤导入MeshCast完成网格划分。
对于读入的gmrst文件质量由误差值控制,该默认值为对角线的1/20000。
可以通过调整该值,来控制读入文件的精度(控制自动合并)。
不推荐使用“AutoIncrMerge”按钮来改变误差值。
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4.网格处理模块MeshCast的介绍和使用
MESHCAST用FEM(FiniteElementMethod)来产生四面体网格。
MESHCAST是网格生成模块,其网格生成有两步,先生成表面网格,后生成体积网格。
MESHCAST可以接受由IGES、PARASOLIDS、STEP或STL建立的模型,MESHCAST再将模型生成表面网格,进一步生成体积网格。
另一种方法,MESHCAST也能接受由CAD/CAE软件包生成的表面网格或是体积网格。
MESHCAST有强大的模型修补功能和模型网格分析功能,不用再花时间返回到用户原来的CAD/CAE系统中去修改原文件了。
MESHCAST能检查几何模型中的表面网格和四面体体积网格。
MESHCAST在检查好模型的表面网格后再生成体积网格。
图为MeshCast的操作界面介绍。
放大、旋转、剪切等操作键面处理
边线处理
网格操作
网格大小控制
输入窗口
信息窗口
铸造模拟软件
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