procast凝固模擬簡介
1.1 序
procast軟體是由美國use公司開發的鑄造過程的模擬軟體，採用基於有限元（fem）的數值計算和綜合求解的方法，對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應力場、電磁場進行模擬分析。
1.2 procast適用範圍
procast適用於砂型鑄造、消失模鑄造; 高壓、低壓鑄造; 重力鑄造、傾斜澆鑄、熔模鑄造、殼型鑄造、擠壓鑄造; 觸變鑄造、觸變成型、流變鑄造。
由於採用了標準化的、通用的使用者介面，任何一種鑄造過程都可以用同一軟體包procast tm進行分析和優化。它可以用來研究設計結果，例如澆注系統、通氣孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。實踐證明procast tm可以準確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程。
可以精確地計算冷卻或加熱通道的位置以及加熱冒口的使用。
1.3 procast 材料資料庫
procast tm可以用來模擬任何合金，從鋼和鐵到鋁基、鈷基、銅基、鎂基、鎳基、鈦基和鋅基合金，以及非傳統合金和聚合體。
esi旗下的熱物理**研究開發隊伍匯集了全球頂尖的五十多位冶金、鑄造、物理、數學、計算力學、流體力學和計算機等多學科的專家，專業從事procast和相關熱物理模擬產品的開發。得益於長期的聯合研究和工業驗證，使得通過工業驗證的材料資料庫不斷地擴充和更新，同時，使用者本身也可以自行更新和擴充套件材料資料。
除了基本的材料資料庫外，procast還擁有基本合金系統的熱力學資料庫。這個獨特的資料庫使得使用者可以直接輸入化學成分，從而自動產生諸如液相線溫度、固相線溫度、潛熱、比熱和固相率的變化等熱力學引數。
1.4 procast 模擬分析能力
可以分析縮孔、裂紋、裹氣、衝砂 、冷隔、澆不足 、應力、變形 、模具壽命 、工藝開發及可重複性 。
procast幾乎可以模擬分析任何鑄造生產過程中可能出現的問題,為鑄造工程師提供新的途徑來研究鑄造過程,使他們有機會看到型腔內所發生的一切,從而產生新的設計方案。其結果也可以在網路瀏覽器中顯示,這樣對比較複雜的鑄造過程能夠通過網際網路進行討論和研究。
1.4.1縮孔
縮孔是由於凝固收縮過程中液體不能有效地從澆注系統和冒口得到補縮造成的。由於冒口補縮不足而導致了很大的內部收縮缺陷。procast可以確認封閉液體的位置。
使用特殊的判據，例如巨集觀縮孔或niyama判據來確定縮孔縮松是否會在這些敏感區域內發生。同時procast可以計算與縮孔縮松有關的補縮長度。在砂型鑄造中，可以優化冒口的位置、大小和絕熱保溫套的使用。
在壓鑄中，procast可以詳細準確計算模型中的熱節、冷卻加熱通道的位置和大小，以及溢流口的位置。
1.4.2裂紋
鑄造在凝固過程中容易產生熱裂以至在隨後的冷卻過程中產生裂紋。利用熱應力分析，procast tm可以模擬凝固和隨後冷卻過程中產生的裂紋。在真正的生產之前，這些模擬結果可以用來確定和檢驗為防止缺陷產生而嘗試進行的各種設計。
1.4.3裹氣
由於液體充填受阻而產生的氣泡和氧化夾雜物會影響鑄件的機械效能。充型過程中的紊流可能導致氧化夾雜物的產生, procast能夠清楚地指示紊流的存在。這些缺陷的位置可以在計算機上顯示和跟蹤出來。
由於能夠直接監視裹氣的執行軌跡，從而使設計澆注系統、合理安排氣孔和溢流孔變得輕而易舉。
1.4.4衝砂
在鑄造中，有時衝砂是不可避免的。如果衝砂發生在鑄造零件的關鍵部位，那將影響鑄件的質量。procast可以通過對速度場和壓力場的分析確認衝砂的產生。
通過虛擬的粒子跟蹤則能很容易確認最終夾砂的區域。
1.4.5冷隔及澆不足
在澆注成型過程中，一些不當的工藝引數如型腔過冷、澆速過慢、金屬液溫度過低等都會導致一些缺陷的產生。通過傳熱和流動的耦合計算，設計者可以準確計算充型過程中的液體溫度的變化。在充型過程中，凝固了的金屬將會改變液體在充型中的流動形式。
procast可以**這些鑄造充型過程中發生的問題，並且可以隨後快速地制定和驗證相應的改進方案。
1.4.6壓鑄模壽命
熱迴圈疲勞會降低壓鑄模的使用壽命。procast能夠**壓鑄模中的應力週期和最大抗壓應力，結合與之相應的溫度場便可準確**模具的關鍵部位進而優化設計以延長壓鑄模的使用壽命。
1.4.7工藝開發和優化
在新產品市場定位之後，就應開始進行生產線的開發和優化。procast可以虛擬測試各種革新設計而取之最優，因此大大減少工藝開發時間，同時把成本降到最低。
1.4.8可重複性
即使乙個工藝過程已經平穩執行幾個月，意外情況也有可能發生。由於鑄造工藝引數繁多而又相互影響，因而無法在實際操作中長時間連續監控所有的引數。然而任何看起來微不足道的某個引數的變化都有可能影響到整個系統，這使得實際車間的工作左右為難。
procast可以讓鑄造工程師快速定量地檢查每個引數的影響，從而確定為了得到可重複的、連續平穩生產的引數範圍。
1.5 procast分析模組
procast 是針對鑄造過程進行流動- 傳熱- 應力耦合作出分析的系統。它主要由八個模組組成：有限元網格劃分meshcast 基本模組、傳熱分析及前後處理base license、 流動分析fluid flow、應力分析stress 、熱輻射分析rediation 、顯微組織分析micromodel 、電磁感應分析electromagnetics、反向求解inverse ，這些模組既可以一起使用也可以根據使用者需要有選擇地使用。
對於普通使用者，procast應有基本模組，流動分析模組，應力分析模組和網格劃分模組。對於鑄造模擬有更高要求的使用者則需要有更多功能的其它模組。
標準模組附加模組：
* 基本模組（傳熱分析模組應力分析模組
* 流體分析模組輻射分析模組
高階模組工具模組：
* 晶粒結構分析模組網格生成模組 meshcast
* 微觀組織分析模組反向求解模組
1.5.1基本模組（傳熱分析模組）：
本模組進行傳熱計算幷包括procast的所有前後處理功能。傳熱包括傳導、對流和輻射。使用熱焓方程計算液固相變過程中的潛熱。
procast的前處理用於設定各種初始和邊界條件，可以準確設定所有已知的鑄造工藝的邊界和初始條件。鑄造的物理過程就是通過這些初始條件和邊界條件為計算機系統所認知的。邊界條件可以是常數，或者是時間或溫度的函式。
procast配備了功能強大而靈活的後處理，與其它模擬軟體一樣，它可以顯示溫度、壓力和速度場，但又同時可以將這些資訊與應力和變形同時顯示。不僅如此，procast還可以使用x射線的方式確定縮孔的存在和位置，採用縮孔判據或niyama判據也可以進行縮孔和縮松的評估。procast還能顯示紊流、熱輻射通量、固相分數、補縮長度、凝固速度、冷卻速度，溫度梯度等等。
1.5.2流體分析模組：
流體分析模組可以模擬所有包括充型在內的液體和固體流動的效應。procast通過完全的n**ier-stocks流動方程對流體流動和傳熱進行耦合計算。本模組中還包括非牛頓流體的分析計算。
此外，流動分析可以模擬紊流、觸變行為及多孔介質流動（如過濾網），也可以模擬注塑過程。
流動分析模組包括以下求解模型：
流動方程。
2.自由表面的非穩態充型。
3.氣體模型：用以分析充型中的囊氣、壓鑄和金屬型主宰的排氣塞、砂型透氣性對充型過程的影響以及模擬低壓鑄造過程的充型。
4.濾模型：分析過濾網的熱物性和透過率對充型的影響，以及金屬在過濾網中的壓頭損失和能量損失，粒子軌跡模型跟蹤夾雜物的運動軌跡及最終位置。
5.牛頓流體模型：以carreau-yasuda 冪律模型來模擬塑料蠟料粉末等的充型過程。
6.紊流模型：用以模擬高壓壓力鑄造條件下的高速流動。
7.消失模模型：分析泡沫材料的性質和燃燒時產生的氣體、金屬液前沿的熱量損失、背壓和鑄型的透氣性對消失模鑄造充型過程的影響規律。
8.傾斜澆注模型：用以模擬離心鑄造和傾斜澆注時金屬的充型過程。
從以上列出的流動分析模型可知在模擬金屬充型方面procast 提供了強大的功能。
1.5.3應力分析模組：
本模組可以進行完整的熱、流場和應力的耦合計算。應力分析模組用以模擬計算領域中的熱應力分布，包括鑄件鑄型型芯和冷鐵等。採用應力分析模組可以分析出殘餘應力、塑性變形、熱裂和鑄件最終形狀等。
應力分析模組包括的求解模型有6種：線性應力；塑性、粘塑性模型；鑄件、鑄型介面的機械接觸模型；鑄件疲勞**；殘餘應力分析；最終鑄件形狀**。
1.5.4輻射分析模組：
本模組大大加強了基本模組中關於輻射計算的功能。專門用於精確處理單晶鑄造、熔模鑄造過程熱輻射的計算。特別適用於高溫合金例如鐵基或鎳基合金。
此模組被廣泛用於渦輪葉片的生產模擬。該模組採用最新的「灰體淨輻射法」計算熱輻射自動計算視角因子、考慮陰影效應等，並提供了能夠考慮單晶鑄造移動邊界問題的功能。此模組還可以用來處理連續性鑄造的熱輻射，工件在熱處理爐中的加熱以及焊接等方面的問題。
1.5.5顯微組織分析模組：
顯微組織分析模組將鑄件中任何位置的熱經歷與晶體的形核和長大相聯絡，從而模擬出鑄件各部位的顯微組織。procast 中所包括的顯微組織模型有：通用型模型：
包括等軸晶模型、包晶和共晶轉變模型，將這幾種模型相結合就可以處理任何合金系統的顯微組織模擬問題。procast使用最新的晶粒結構分析**模型進行柱狀晶和軸狀晶的形核與成長模擬。一旦液體中的過冷度達到一定程度，隨機模型就會確定新的晶粒的位置和晶粒的取向。
該模組可以用來確定工藝引數對晶粒形貌和柱狀晶到軸狀晶的轉變的影響。
fe-c 合金專用模型：包括共晶/ 共析球墨鑄鐵、共晶/ 共析灰口/ 白口鑄鐵、fe-c 合金固態相變模型等。運用這些模型能夠定性和定量地計算固相轉變、各相如奧氏體、鐵素體、滲炭體和珠光體的成分、多少以及相應的潛熱釋放。
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