大型铸钢件铸造过程的Procast应力场模拟研究
procast在铸造中的应用
对于我们学铸造专业的学生来说，掌握几款铸造方面的软件是很有必要的，有了一定的软件基础在以后的铸造设计、模拟中都是很有用的。下面介绍下ProCAST软件在铸造中应用。 一、概述 ?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是所有铸造模拟软件中现代CAD/CAE集成化程度最高的。它率先在商用化软件中使用了最先进的有限元技术并配备了功能强大的数据接口和自动网格划分工具。 ?全部模块化设计适合任何铸造过程的模拟； ?采用有限元技术，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； ?高度集成。 二、发展历程 ?Procast自1985年开始一直由位于美国马里兰州首府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。为了保证模拟的精度，Procast一开始就采用有限元方法作为模拟的技术核心。 ?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求模块开发上贡献良多。 ?2002年，Procast和Calcom SA先后加入ESI集团，并重新组建为Procast Inc. (美国马里兰州)和Calcom ESI (瑞士洛桑)。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），PAM-CAST（有限差分元铸造仿真）, Calcosoft（连续铸造仿真）和SYSWELD （热处理与焊接模拟）一起组成ESI完整的热物理综合解决方案。 三、适用范围 ?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。 四、材料数据
第一节：铸件中的裂纹
第一节铸件中的裂纹 一热裂 热裂是铸件生产中常见的铸造缺陷之一，是在高温下形成的，裂口表面呈氧化色。热 裂又是沿晶粒边界产生和发展的，故裂口外 形曲折而不规则，如图1－1所示。 图1－1 铸件中的热裂
热裂分为外裂和内裂两种类型。在铸件表面可以看到的热裂纹为外裂，裂口从铸件表面开始逐渐延伸到铸件的内部，表面宽内部窄，裂口有时会贯穿铸件整个断面。外裂常产生要铸件的拐角处、截面厚度有突变处或局部冷凝慢以及产生应力集中的地方。内裂常产生在铸件内部最后凝固的部位如缩孔附近，裂口表面很不平滑，有分叉。 外裂大部分可以用肉眼就能观察出来，细小的外裂则需用磁粉和着色探伤检查；内裂必须用射线或超声波探伤才能检查出来。
1 热裂的形成机理 热裂的形成机理到现在为止尚存在分歧。 我们先来看看热裂纹的形成温度范围。 关于热裂纹的形成温度范围说法很多，归纳起来主要有两种观点：一种观点认为热 裂纹是在凝固温度范围内但邻近于固相线温 度时形成的，此时合金处于固－液态；另一 种观点认为热裂纹是在稍低于固相线温度时 形成的，此时合金处于固态。
有人对含碳量不同的碳钢进行了热裂形成温度范围的研究。该实验结果表明：不论含碳量多少，碳钢产生热裂的温度都在固相线附近，当钢中硫、磷含量增高时热裂温度便降到固相线下。 必须指出的是：在铸造条件下，由于铸件冷却速度较快而引起的过冷，使液相线和固相线下移，加上合金中存在低熔点组成物，所以实际的固相线有时远低于平衡状态图中的固相线。
由此可以看出热裂是在合金接近完全凝固时的温度范围内形成的。此时大部分合金已凝固成结晶骨架，而在骨架之间还剩有少量的液体。下面我们再来讨论热裂纹的形成机理，主要有两种理论：强度理论和液膜理论。
ProCAST软件的特点及其在铸件成形过程中的应用_胡红军
ProCAST软件的特点及其在铸件成形过程中的应用Function of FEM Software ProCAST and Application in Casting 胡红军 (重庆工学院材料科学与工程学院,重庆400050) 摘 要:介绍了商品化有限元软件P ro CA ST的组成模块、功能以及在铸件成形、缺陷预测方面的应用。 关键词:有限元模拟;Pr oCA ST;凝固模拟;缺陷预测 中图分类号:T G244 文献标识码:B 文章编号:1001-3814(2005)01-0070-02 Pr oCAST软件从1985年开始将最先进的有限元技术用在铸造模拟中,有效地提高了铸造工艺的正确性。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,通过对金属流动过程的模拟,可以精确显示浇不足、冷隔、裹气和热节的位置及残余应力和变形的大小,准确地预测缩孔缩松和微观组织。 1 ProCAST软件的组成模块 Pro CA ST是针对铸造过程进行流动-传热-应力耦合作出分析的系统,共有8个模块,用户可以比较灵活地租用或购买这些模块。对于普通用户,一般应有传热分析及前后处理、流动分析、应力分析和网格划分等基本模块。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,例如热辐射分析,显微组织分析,电磁感应分析,反向求解,应力分析等模块。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。 2 ProCAST软件的特点 2.1 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数变化的试验。ProCAST可以让铸造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。 2.2 可虚拟试验 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可以虚拟试验各种革新设计而取之最优。因此大大减少工艺开发时间,同时又把成本降到最低。 2.3 灵活性大 ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法,与有限差分法相比,具有较大的灵活性,特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。 2.4 模拟功能强大 ProCAST作为针对铸造过程进行流动、传热、应力求解的软件包,能够模拟铸造过程中绝大多数问题和许多物理现象。在铸造过程分析方面,ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响,能够模拟出气化模铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程,并且对注塑、压制腊模、压制粉末等的充型过程进行模拟;在传热分析方面,ProCAST能够对热传导、对流和辐射等三种传热方式进行求解,尤其是引入最新“灰体净辐射法”模型,使ProCAST擅长于解决精铸及单晶铸造问题;在应力分析方面,通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法,使其具有分析铸件应力、变形的能力;在电磁分析方面,Pro CA ST 可以分析铸造过程所涉及的感应加热和电磁搅拌等。以上的分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。 2.5 界面人性化 ProCAST的前后处理完全基于Window s的用户界面,通过提供交互菜单、数据库和多种对话框完成用户信息的输入。ProCAST具有全面的在线帮助,具有良好的用户界面;通过提供和通用机械CAD系统的接口,可直接获取铸件实体模型的IGES文件或通用CAE系统的有限元网格文件;可以将模拟结果直接输出到CAD系统接口,尤其可以通过I-DEAS直接读取 70 APPLICATION Hot W orking Technology 2005No.1 收稿日期:2004-10-27 作者简介:胡红军(1976-),男,湖北人,讲师,硕士,现从事材料成型 CAD/CAE软件研究和开发。
(仅供参考)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。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
铸造残余应力的测定实验报告
铸造残余应力的测定实验报告 1. 实验目的 (1) 了解铸造残余应力的产生原因。 (2) 了解用应力框测定铸造残余应力的方法。 (3) 了解退火对消除残余应力的效果。 2. 实验原理 2.1 铸造应力 铸件在凝固和冷却过程中由于各部分体积变化不一致导致彼此制约而引起的应力称为铸造应力。铸造应力可分为三种，即热应力、相变应力和收缩应力。铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残余应力。铸造应力对铸件质量有重要影响，如果铸造应力超过材料的屈服强度，铸件则产生变形；如果铸造应力超过材料的强度极限时，铸件则产生裂纹。残余应力还会降低铸件的使用性能，如失去精度、在使用过程中造成断裂或产生应力腐蚀等。 2.2 铸造应力的测定方法——应力框试验法 图1为测定铸造残余应力的框形铸件，由于I 杆和II 杆截面尺寸差别大，因而铸造后细杆I 中形成压应力，粗杆II 中形成拉应力。若在A-A 截面处将粗杆锯开，锯至一定程度时，由于截面变小，粗杆被拉断。受弹性拉长的粗杆长度较自由收缩条件下的长度缩短，其缩短量?L 和铸造残留应力成正比，其值可根据锯断前、后粗杆上小凸台的长度(L 0 ,L 1）差求出，即?L ＝L 1一L 0。铸造残留应力σ1和σ2的计算公式为： 细杆残留应力σ1＝－E )21(2101F F L L L +-，粗杆残留应力σ2＝－E ) 21(1 2 1F F L L L +- 图1应力框铸件图 式中： σ1，σ2——细杆、粗杆中的铸造应力（MPa ）； L 0，L 1——锯断前、后小凸台的长度（mm ）；
F1，F 2——细杆、粗杆的横截面积（mm2）； L——杆的长度，L=130mm； E——弹性模量，普通灰铸铁取9×104MPa，球墨铸铁取1.8×105MPa。 2.3减小及消除残余应力的方法 铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。因此应设法减小和消除残余应力。 （1）减小铸造应力的措施和途径 ①选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。 ②减小铸件冷却过程中的温差： （a）在铸件厚实部位放置冷铁或蓄热系数大的型砂，加速厚实部分的冷却。 （b）对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却。 （c）在铸件壁薄处开内浇道，使铸件各部分温度趋于一致。 （d）提高浇注时铸型的温度。 （e）将铸件于红热状态开箱取出，尽快置于已加热到500~600℃的保温炉中，保持一定时间使铸件各部分温度趋于一致，然后随炉缓冷至200~250℃出炉。 ③改善铸型和砂芯的溃散性。 ④改进铸件结构，避免形成较大应力和应力集中。 （2）消除铸件中残余应力的方法 消除铸件中残余应力的方法有自然失效、人工时效和共振时效等方法。 ①自然失效 将有残余应力的铸件放置在露天场地，经半年乃至一年以上，让残余应力逐渐自然消退，这种方法称为自然时效。 ②人工时效 人工时效又称热时效或消除内应力退火。把铸件加热到合金的弹塑性状态的温度范围内，保持一定时间，使残余应力得以消除，然后缓慢冷却，以免重新产生残余应力。 ③共振时效 共振时效的原理是：在激振器的周期性外力即激振力作用下，与铸件发生共振，因而使铸件获得相当大的振动能量。在共振过程中交变应力与残余应力叠加，产生局部屈服，引起塑性变形，使铸件中的残余应力逐渐松弛甚至消失，达到稳定铸件尺寸的目的。 3.实验内容 本次实验测定应力框铸件（灰口铸铁）铸态及其退火热处理后的残余应力，测定步骤如下： (1)造型（3个应力框试样）； (2)浇注（铁水温度为1330～1350℃）； (3)用热分析装置测试一个铸型中应力框铸件厚、薄壁的冷却曲线。 (4)浇注后30min打箱，用钢丝刷刷去应力框铸件表面型砂； (5)将其中1个应力框放入热处理炉中，在550℃保温3小时后炉冷； (6)将上述2个应力框铸件的粗杆小凸台上成锐角相交的四个棱柱面锉平； (7)用卡尺测量小凸台长度L0； (8)在小凸台A-A截面处从1、2、3三面依次锯开粗杆（见图1），注意各锯口应在垂 直于杆轴线的同一平面内。
铸造部分练习题
第二章铸造 一、思考题 1.什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？不同化学成分的合金流动性有何不同？为什么铸钢的充 型能力比铸铁差？ 2.某定型生产的薄铸铁件，投产以来质量基本稳定，但是最近一时期浇不足和冷隔缺陷突然增多，试分析其原因。 3.既然提高浇注温度可以提高液态合金的充型能力，但是为什么又要防止浇注温度过高？ 4.缩孔与缩松对铸件质量有何影响？为何缩孔比缩松比较容易防止？ 5.区分以下名词：缩孔和缩松浇不足和冷隔出气口和冒口 6.什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于那种场合？ 7.试用下面轨道铸件分析热应力的形成原因，并用虚线表示出铸件的变形方向。 8.为什么手工造型仍是目前的主要造型方法？机器造型有那些优越性？适用条件是什么？ 9.试绘下列铸件的铸造工艺图。（材料：HT200；单件小批生产） 10.什么是熔模铸造？述其大致工艺过程？ 11.为什么熔模铸造是最有代表性的精密铸造方法？它有那些优越性？ 12.金属型铸造有何优越性？为什么它未能广泛替代砂型铸造？ 13.压力铸造有何优缺点？它与熔模铸造适用范围有何显著不同？ 14.某公司开发的新产品中有如图所示的铸铝小连杆。请问： 试制样机时，该连杆宜采用什么铸造方法？ 当年产量为1万件时，宜采用什么铸造方法？ 当年产量超过10万件时，则应改选什么铸造方法？ 15.什么是离心铸造？它在圆筒件铸造中有那些优越性？成形铸件采用离心铸造的目地是什么？ 16.下列铸件在大批量生产时采用什么铸造方法为宜： ①铝发动机活塞______________②缝纫机机头______________③汽轮机叶片______________④气缸套 ______________⑤摩托车发动机缸体_____________ ⑥铣床立柱______________⑦大口径铸铁水管______________⑧暖气散热片______________⑨小型铝合金仪器支架______________ ⑩铣刀刀体
铸造模拟软件讲解
PROCAST ProCAST由法国ESI公司开发的综合的铸造过程软件解决方案，有20多年的历史，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，吹芯工艺，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。 procast 百科名片 ProCast软件界面 ProCAST由法国ESI公司开发的综合的铸造过程软件解决方案，有20多年的历史，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，吹芯工艺，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。 目录 适用范围材料数据库 模拟分析能力 分析模块 ProCAST特点 模拟过程 展开 适用范围 材料数据库 模拟分析能力 分析模块 ProCAST特点 模拟过程 展开 ProCast应用(10张) 编辑本段适用范围 ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造、高压铸造、低压铸造、重力铸造、
软件操作界面 倾斜浇铸、熔模铸造、壳型铸造、挤压铸造、触变铸造、触变成形、流变铸造。由于采用了标准化、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。 编辑本段材料数据库 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。 编辑本段模拟分析能力 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。 编辑本段分析模块 ProCAST是针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统。它主要由8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(Base License)、流动分析(Fluid flow)、应力分析(Stress)、热辐射分析(Radiation)、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。 1)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
铸造应力按生产原因的分类
铸造应力按生产原因的分类 1、铸造应力的产生 通常说的铸造应力，有时是泛指，即不论产生应力的原因如何，凡铸件冷却过程中尺寸变化受阻，产生的应力都称作铸造应力。但通常指的铸造应力多指残余应力。铸件有残余应力时，经机械加工后可能产生新的变形，使零件精度降低或尺寸超差；若铸件承受的工作应力与残余应力方向相同而叠加，就可能超过材料强度极限而破坏；有残余应力的铸件在长期存放后，会产生变形；若在腐蚀介质中存放或工作时，还会产生应力腐蚀而开裂。因此，应尽量减少铸件冷却过程中产生的残余应力并设法消除之。 铸件凝固结束后，铸件都要随着温度的下降发生固态收缩或相变，在固态相变的同时，有相变体（线）膨胀或收缩，由于厚壁铸件外层比内层冷却的快，壁厚不同的铸件厚壁冷的慢，薄壁冷的快。从而导致外层与内层，厚壁与薄壁固态线收缩率（mm/s）不一致，使厚壁的外层和内层、厚壁与薄壁就相互制约收缩，发生拉伸或压缩变形。在固态冷却前期，薄壁降温比厚壁快，产生的收缩量较大，从而使薄壁部位受到拉伸变形，产生拉应力，而在厚壁部位形成压缩变形，产生压应力；在冷却后期，厚壁的降温又比薄壁快，产生的收缩量较薄壁部位大，所以又在厚壁部位形成拉伸变形，产生拉应力，而在薄壁部位形成压缩变形，产生压应力。如果在冷却前期和冷却后期形成的应力能相互抵消，则铸件最终不产生应力，而只在冷却过程中表现出来的应力称为临时应力。如果两种应力不能相互抵消，则有一部分应力会残留在铸件上，这种应力称为残余应力。 除此之外，铸件的固态线收缩还受到外部因素的阻碍（如砂芯、冒口、浇注系统等），如果外部因素退让性不足，温度下降时不能实现应有的收缩值，铸件将产生拉应力。在冷却过程中，固态收缩由于上述各种因素的影响，使铸件的收缩受阻，发生变形而产生应力，这种应力为铸造应力。 铸造应力包括：热应力、相变应力、收缩应力三种。
引进Procast铸造仿真软件项目建议书
引进Procast铸造仿真软件项目建议书
目录 1背景 (4) 2铸造模拟仿真对我院的作用 (5) 2.1铸造仿真对7室的作用 5 2.2铸造仿真对铸钢厂的作用 5 3铸造仿真软件的调研与考核 (6) 4软件开发商法国ESI集团简介 (6) 5Procast软件特点 (7) 6Procast软件效果预评 (25) 6.1三维模型建立 25 6.2网格划分 26 6.3工艺条件与计算参数 26 6.4数值计算 27 6.5结果显示 27
6.6分析及建议 30 7Procast软件在我院使用构想 (32) 7.1铸造模拟解决方案使用部门 32 7.2铸造模拟解决方案硬件需求 32 8Procast软件模块配置建议 (34)
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。
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。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。 1.4.1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。 1.4.2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，ProCAST TM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
铸造应力介绍及减小和预防铸造应力的措施
一、铸造应力的定义、分类和危害 1、定义： 铸造应力(casting stress)：金属在凝固和冷却过程中体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻，而产生的应力。 2、分类： A. 按应力形成的原因分： （1）热应力(thermal stress)：铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产生的应力。 （2）相变应力(phase transformation stress)：固态发生相变的合金，由于铸件各部分冷却条件不同，它们到达相变温度的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力。 （3）机械阻碍应力(mechanism hindered stress)：铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械阻碍所产生的应力。 B. 按应力存在的时间分： （1）临时应力(temporary stress)：产生应力的原因消失，应力便消失。 （2）残余应力(residual stress)：产生应力的原因消除后，仍然存在的应力。 3、应力的危害： 铸造应力和铸件的变形对铸件质量的危害很大。铸造应力是铸件在生产、存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因，它降低铸件的使用性能。例如，当机件工作应力的方向与残余应力的方向相同时，应力叠加，可能超出合金的强度极限，发生断裂。有残余应力的铸件，放置日久或经机械加工后会变形，使机件失去精度。产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废，为此需要加大加工余量。在大批量流水生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。此外，挠曲变形还降低铸件的尺寸精度，尤其对精度要求较高的铸件，防止产生变形尤为重要。减小和预防消除铸造应力的措施 （1）合理地设计铸件的结构铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。 （2）采用同时凝固的工艺所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温 差很小，几乎同时进行凝固。因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形
铸造仿真软件项目建议书精编版
铸造仿真软件项目建议 书 文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
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。
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)
第2章 铸造练习题 (1)
第2章铸造练习题 1．是非题 ( 错) (3)为防止铸件产生裂纹，在设计零件时力求壁厚均匀。( 对) (5)选择分型面的第一条原则是保证能够起模。( 对) (6)起模斜度是为便于起模而设置的，并非零件结构所需要。( 对) (10)铸造圆角主要是为了减少热节，同时还有美观的作用。( 对) （11）铸造合金要求有好的流动性和小的偏析倾向，所以它的凝固温度范围越大越好。(错) (12) 压力铸造可铸出形状复杂的薄壁有色铸件，它的生产效率高、质量好。( 对) （24）合金的充型能力与其流动性有关而与铸型充填条件无关。(错) (26) 缩孔、缩松的产生原因是固态收缩得不到补缩。( 错) (28) 为防止产生缩孔，薄壁铸件常采用同时凝固原则。（错） (32) “同时凝固”工艺措施可以有效地防止缩孔、缩松、气孔等缺陷。（错） (35) 铸件各部分的固态收缩不能同步进行是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。（对） (36) 用灰铸铁既能制造受拉零件，也能制造受压零件，但是制造受拉零件更有利于发挥其力学性能特点。（对） 2．选择题 (1)合金的铸造性能主要包括( b )。 A．充型能力和流动性B．充型能力和收缩 C．流动性和缩孔倾向D．充型能力和变形倾向 (2)消除铸件中残余应力的方法是( c )。 A．同时凝固B．减缓冷却速度C．时效处理D．及时落砂 (3)下面合金形成缩松倾向最大的是( d )。 A．纯金属B．共晶成分的合金 C．近共晶成分的合金D．远离共晶成分的合金 (4)为保证铸件质量，顺序凝固常用于( a )铸件生产中。 A．缩孔倾向大的合金B．吸气倾向大的合金 C．流动性较差的合金D．裂纹倾向大的合金 (5)灰口铸铁、可锻铸铁和球墨铸铁在机械性能上有较大差别，主要是因为它们(c )不同。 A．基体组织B．碳的存在形式C．石墨形态D．铸造性能 (10)形状复杂零件的毛坯，尤其是具有复杂内腔时，最适合采用( a )生产。 A．铸造B．锻造C．焊接D．热压 （11）浇注时铸件的大平面朝下，主要是为了避免出现(d )。 A．砂眼B．气孔C．夹渣D．夹砂 (16) 大批量生产铸铁水管，应选用( c )铸造。 A．砂型B．金属型C．离心D．熔模 （17）为了减小收缩应力，型砂应具备足够的( A．强度B．透气性C退让性D．耐火性 （18）压铸模通常采用( )钢制造， A．CrMnMo B．3Cr2W8V C．Crl2MoV D．T10 （19）内腔复杂的零件，最好用( )方法制取毛坯。
铸造模拟软件比较 (1)
Coupled Thermal-fluids-stress Analysis of Castings Authors: Mark Samonds, Ph.D., J. Z. Zhu, Ph.D. Affiliation: UES Software Inc., Annapolis, MD, USA Abstract This paper will consider some of the issues encountered in the application of a combined eulerian-lagrangian finite element method to shape and continuous castings. The stability and accuracy of thermo-mechanical contact algorithms will be discussed. Appropriate selection of constitutive models for casting alloys and mold materials will be treated, as well as topics concerning fluid-mechanical coupling.
Introduction The importance and range of applicability of stress analysis in casting simulation has been noted by many authors. Accurate stress results, both in a relative and absolute sense, depend on a number of factors. We will focus on three in particular; 1) use of an appropriate material model, 2)the thermal/mechanical contact algorithm, and 3) issues surrounding the coupling of stress with filling. Material Models In order to simulate a variety of materials, several mechanical material models have been adopted in ProCAST. For cast parts and molds, the models include a thermo-elasto-viscoplastic model of the Perzyna type [1], a thermo-elastoplastic counterpart and an elastic model. In addition, a rigid body model and a vacant model are also available for mold materials. The elastoplastic model and elasto-viscoplastic model, in which all the parameters and functions are temperature dependant, are described in the following. We shall start with the constitutive equations of the elastoplastic model. A modification in the flow rule will lead to the elasto-viscoplastic model.Elastoplasticity The rate representation of the total strain in elastoplastic model is given by The linear isotropic elastic response is described by A generalized von Mises yield function, is used in the numerical computations, where the deviatoric stress is given by T p e εεεε &&&&++=)(:T p εεE σ ε&&&&--=ly. respective rate strain thermal the and rate strain plastic the rate, strain elastic the are tensor, ve constituti elastic the is Where T p e εεε E &&&,,k --= x s 2 3f σI σs tr 3 1-=.0,=??=f f p condition,y consistenc the of aid the with determined be to multiplier plastic the is where of form the has rule flow plastic assumed The g g σ ε &hardening. isotropic zes characteri and hardening kinematic the controls which stress back the is k x
ProCAST.从虚拟到真实
第六届中国铸造厂长（经理）国际会议（2004） 从虚拟到真实 ——换热器壳体的虚拟熔模铸造 北京航空航天大学陈冰 泰州金鼎精铸公司荆剑 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：① 20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。② 20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 Investment 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。③ 20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。兼容性良好的几何造型模块支持IGES、STEP、STL或者Parasolids等标准的CAD文件格式。计算方法采用有限元法(FEM), Meshcast模块能自动生成有限元网格。ProCAST流动分析模块不仅可以模拟金属液在浇注系统和型腔中的流动状态，还可以模拟流体通过多孔介质(陶瓷过滤器)的流动，预报倒流、噎流等现象，预测冷隔和浇不到等铸造缺陷。此外，它的流动分析模块中包含有对非牛顿流体的分析计算是该软件的又一特色，不但可以模拟液体金属的流动，还可以模拟塑料或精铸模料在压注时的充型行为。特别值得一提的是ProCAST特有的辐射分析模块大大加强了计算热辐射的功能，这对于经常需要精确处理热辐射问题的熔模铸造而言显得特别重要。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首选软件。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。下面以精铸换热器壳体为例，说明利用ProCAST虚拟铸造的过程和效果。