铸造模拟
铸造模拟软件ProCAST
三、结束语
ＰｒｏＣＡＳＴ 软件 ２００２ 年年底被欧洲 最大的软件商法国 ＥＳＩ 公司收并。收并 之后， ＥＳＩ公司将其列为开发重点， 加大 了研发力量。 软件的核心部分还由美国 原班人马开发， 前后处理模块在法国完 成。近期 Ｅ Ｓ Ｉ 公司发布了最新版 ＰｒｏＣＡＳＴ２００４，新版软件的整个界面焕 然一新，实现了完全 Ｗｉｎｄｏｗｓ 风格，其 操作主界面如图 ４ 所示。用户在前后处 理窗口中可用鼠标随意旋转和拖动三维 模型， 观看模拟结果时可沿任何方向动 态剖分，全部工作在同一界面即可完 成。同时在流动分析、消失模铸造和模 具疲劳方面， ＰｒｏＣＡＳＴ２００４ 都作了进一 步的改进。ＰｒｏＣＡＳＴ 软件的进一步开发 已被列为欧盟项目，ＥＳＩ 公司在近期将 在如下方面开展工作。
由于在辐射计算时考虑了视角因子和影印效应等一旦部件之间有相互运动视角因子procast是世界上著名的铸造凝固仿真软件之一它的cadcae集成化很高使用有限元技术同时拥有功能强大的能直接利用三维cad进行完全自动网格划分的软件meshcast
Software
软件世界
Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 是世界上著名的铸造凝固仿真软件之一，它的 Ｃ Ａ Ｄ ／ Ｃ Ａ Ｅ 集成化很 高，使用有限元技术，同时拥有功能强大的能直接利用三维 ＣＡＤ 进行完全自动网格 划分的软件 Ｍｅｓｈｃａｓｔ。
由于采用了通用的用户界面，
结果可以检验为防止
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ＣＡＤ／ＣＡＭ 与制造业信息化・ｗｗｗ．ｉｃａｄ．ｃｏｍ．ｃｎ
Software
软件世界
缺陷产生而进行的各种设计尝试。
快速地检验相应的改进方案。 （７） 压铸 模寿命 热循环疲 劳会降低压铸 模的使用寿 命。Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 能通过模拟预 测压铸模中的 应力集中部位 和最大抗压应
铸造模拟软件MAGMA操作教程
2－1 、材质群组介绍
图（2_6）
在载入时一定要确保重力方向向上，如图（2_6）所示。一般在实体建模时便给出正确的重力方向。如果方向错误也可在MAGMA内修改。（见后面说明）
砂模可以在建构实体时绘出，也可以在MAGMA内绘制出。后面有进一步说明。
2－2、OVERLAY原理
图（2_7） 图（2_8）
在建构实体时有一些区域重合。如图（2_7），ingate连接cast和gating，其和两者都有交接的部分。我们希望各部分独立不干涉，保证分析的精确。利用overlay原理切割重合区域。如图（2_8）排在前面的ingate被排在后面的gating和cast切割。在载入．stl档后需利用此原理进行排序。
一、基本操作流程
图（1_1）
建构正确的实体模型是进行分析工作的关键。把实体分为不同的组，转换为.stl档，为MAGMA分析做好准备。如图（1_1）所示：黑色字体是使用MAGMA的操作步骤；红色字体是分析的前期工作和后期对策。
二、ＭＡＧＭＡ的操作
１、创建专案
图（2_1）图（2_2）
图（2_3）图（2_4）
注：有时.STL档不能载入，可能是文件名太长。退出修改文件名重新载入CMD文件夹内。在档时出现没有完全转出，需检查实体档案有无错误。
2－4、命名物件
图（2_11）
图（2_12）
命名实体之后，shift+右键选择形体，同样会有提示选中了物件，同样的命名方式命名。也可以通过如图（2_12）中的MACRO（蓝色虚线框）选择物件。
设置完成之后，选择图（2_9）中的SAVE ALL AS1存档。然后离开界面进行下一动作。
３、切网格
图（3_1）
自动切割一般设置３百万的网格数。对于很薄的gating和ingate需要进行单独细切，视切出网格的质量而定。我们用细切的网格数自动切割时，若网格质量比细切的要好，则需要检查一下.Stl档有没有错误。
铸造模拟软件MAGMA操作教程
CAD Model PreprocessorMeshing ParametersPostprocessorAnalysisDecision一、基本操作流程图（1_1）建构正确的实体模型是进行分析工作的关键。
把实体分为不同的组，转换为.stl 档，为MAGMA 分析做好准备。
如图（1_1）所示：黑色字体是使用MAGMA 的操作步骤；红色字体是分析的前期工作和后期对策。
二、ＭＡＧＭＡ的操作１、创建专案图（2_1） 图（2_2）建构实体模型模流前处理实体切网格参数设定模流后处理结 果 分 析相 应 对 策图（2_3）图（2_4）专案名称.stl档图（2_5）说明：图（2_1）打开桌面图标project菜单create project 出现新对话框图（2_2）选择Iron casting铸铁模组选择结果存放路径（MAGMAsoft下）取解析方案名称回车键OK 出现新对话框图（2_3）默认系统选择直接按红框所标的键，直到图（2_4）,按OK键结束创建专案操作。
如图（2_5）的路径，把建立好的.stl档存在CMD文件夹下。
２、前处理2－1 、材质群组介绍图（2_6）在载入时一定要确保重力方向向上，如图（2_6）所示。
一般在实体建模时便给出正确的重力方向。
如果方向错误也可在MAGMA 内修改。
（见后面说明）砂模可以在建构实体时绘出，也可以在MAGMA 内绘制出。
后面有进一步说明。
2－2、OVERLAY 原理图（2_7） 图（2_8）在建构实体时有一些区域重合。
如图（2_7），ingate 连接cast 和gating ，其和两者都有交接的部分。
我们希望各部分独立不干涉，保证分析的精确。
利用overlay 原理切割重合区域。
如图（2_8）排在前面的ingate 被排在后面的gating 和cast 切割。
在载入．stl 档后需利用此原理进行排序。
2－3、载入．stl 档CAVITY INSERTCAST INGATEGATING1. CAST2. INGATE3. GATING１、砂模（sandm ） ２、 灌口（inlet ） ３、 浇道（gating ） ４、 浇道（gating ） ５、 冒口（feeder ） ６、冒口（feeder ） ７、 入水口（ingate ） ８、 入水口（ingate ） ９、砂芯（core ）InletGatingGatingFeederCorechillIngateZ 轴正向CAVITY INSERTCAST INGATEGATING1. INGATE2. GATING排序接上动把.stl 档存在CMD 文件夹下后，在创建专案的界面（图（2_1））按下preprocess 键，进入载档界面.见图（2_9）图（2_9）图（2_10）载入顺序如上图所标的序号和箭头指向。
Procast熔模铸造模拟分析案例.
Procast熔模铸造模拟分析案例一、熔模铸造案例模型说明熔模铸造又称失蜡铸造，包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序。
失蜡铸造是用蜡制作所要铸成零件的蜡模，然后蜡模上涂以泥浆，这就是泥模。
泥模晾干后，再焙烧成陶模。
一经焙烧，蜡模全部熔化流失，只剩陶模。
一般制泥模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属熔液，冷却后，所需的零件就制成了。
本教程将一步一步的指导各位完成Procast中关于熔模铸造的设置。
图1 模型说明本案例中用到的几何体由以下几个部分组成，如图1所示，分为模壳、铸件和扣箱。
二、熔模铸造案例模型前处理设置说明1.在PreCAST中导入网格模型图2 网格导入说明如图2所示，在网格导入界面，选择网格所在的文件夹，然后在case中输入需要导入的计算模型名称，软件会自动根据路径和文件名称导入相应的几何网格信息。
读入后程序会自动显示模型、网格、节点信息。
（材料数，总的节点和单元数以及单位和轮廓尺寸），见图3所示。
注意，在辐射计算时存在一个扣箱。
图3 几何网格导入信息显示2.检查几何体网格导入后，PreCAST能够自动标示材料序号，总的结点和单元数。
也可以显示出单位和轮廓尺寸。
这些信息及各部件的体积都可以通过File menu->Check geometry 选项得到。
图4几何检查选项3.设置工件材料属性点选图5红色显示区域，再次点选相应材料牌号，点击assign最终设定，为铸件和模壳分别指定为铬镍铁合金718及一种壳材料。
图5材料定义4.创建并设置各部件之间界面换热面该步骤主要是对模型各个材料交接面设定界面换算系数，以确保材料各部分的准确换热。
图6换热界面及系数定义5.设置工艺边界条件该界面是定义铸造工艺边界条件，以实现不同的铸造工艺种类。
在熔模铸造中，需要通过该界面设置注入孔处的温度和浇注速度边界条件以及整个外扣箱的温度和辐射参数边界条件，具体见图7所示。
图7 边界条件定义6.设置重力该步骤是根据实际工艺重力方向来定义，见图8所示。
端盖铸造模拟课程设计
端盖铸造模拟课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解端盖铸造的基本概念，掌握铸造过程中金属流动、冷却、凝固等基本原理。
2. 学生能掌握端盖铸造工艺参数对铸件质量的影响，如浇注系统设计、模具温度、浇注速度等。
3. 学生能了解并描述端盖铸造过程中可能出现的缺陷类型及其产生原因。
技能目标：1. 学生能运用计算机软件进行端盖铸造模拟，分析铸造过程可能出现的问题，并提出改进方案。
2. 学生能运用所学知识，设计合理的端盖铸造工艺参数，提高铸件质量。
情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对铸造工艺的热爱，增强对制造行业的认同感。
2. 学生能够认识到团队合作的重要性，培养协同解决问题的能力。
3. 学生能够关注铸造行业的发展，关注环境保护和资源利用，树立绿色生产的理念。
课程性质分析：本课程为实践性较强的课程，旨在通过端盖铸造模拟，让学生更好地理解铸造原理，掌握铸造工艺，提高解决实际问题的能力。
学生特点分析：学生处于高年级阶段，具备一定的学科基础和动手能力，对实践性课程有较高的兴趣。
教学要求：1. 教师应注重理论联系实际，引导学生运用所学知识解决实际问题。
2. 教师应鼓励学生积极参与讨论，培养学生的创新意识和团队协作能力。
3. 教学过程中，关注学生的学习进度，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 端盖铸造基本原理：包括金属流动、冷却、凝固等基本过程，铸件收缩、应力与变形等内容，对应教材第3章。
2. 端盖铸造工艺参数：浇注系统设计、模具温度、浇注速度等参数对铸件质量的影响，对应教材第4章。
3. 端盖铸造缺陷分析：介绍常见缺陷类型（如气孔、夹渣、裂纹等）及其产生原因，对应教材第5章。
4. 铸造模拟软件应用：教授学生使用计算机软件进行端盖铸造模拟，分析铸造过程可能出现的问题，并提出改进方案，对应教材第6章。
5. 端盖铸造工艺设计：指导学生运用所学知识，设计合理的端盖铸造工艺参数，提高铸件质量，对应教材第7章。
铸造模拟软件MAGMA操作教程
一、基本操作流程CAD Model建构实体模型Preprocessor模流前办理MeshingParameters 实体切网格参数设定Postprocessor模流后办理AnalysisDecision 结果剖析相应付策图（ 1_1 ）建构正确的实体模型是进行剖析工作的重点。
把实体分为不一样的组，变换为 .stl 档，为MAGMA剖析做好准备。
如图（ 1_1 ）所示：黑色字体是使用MAGMA 的操作步骤；红色字体是剖析的先期工作和后期对策。
二、ＭＡＧＭＡ的操作１、创立专案图（ 2_1 ）图（ 2_2 ）图（ 2_3 ）图（ 2_4 ）专案名称.stl 档图（ 2_5 ）说明：图（ 2_1）翻开桌面图标project 菜单create project 出现新对话框图（ 2_2）选择 Iron casting 铸铁模组选择结果寄存路径（ MAGMAsoft下）取分析方案名称回车键OK 出现新对话框图（2_3）默认系统选择直接按红框所标的键，直到图（2_4）,按OK键结束创立专案操作。
如图（ 2_5 ）的路径，把成立好的 .stl 档存在 CMD 文件夹下。
２、前办理2－1 、材质群组介绍Z 轴正向Inlet １、砂模（ sandm）２、灌口（ inlet）３、浇道（ gating）４、浇道（ gating）Gating CoreGatingFeederIngate５、冒口（ feeder）６、冒口（ feeder）７、入水口（ ingate）８、入水口（ ingate）９、砂芯（ core）１０、冷铁（chill）１１、铸件（cast）chill图（ 2_6 ）在载入时必定要保证重力方向向上，如图（2_6 ）所示。
一般在实体建模时便给出正确的重力方向。
假如方向错误也可在MAGMA 内改正。
（见后边说明）砂模能够在建构实体时绘出，也能够在MAGMA 内绘制出。
后边有进一步说明。
2－2、OVERLAY 原理1.CAST 1.INGATE排序2.INGATE 2.GATINGCAST3.GATING CAST 3.CASTCAVITY INSERTCAVITY INSERTINGATEINGATEGATINGGATING图（ 2_7 ）图（2_8）在建构实体时有一些地区重合。
铸造模拟软件MAGMA操作教程.pdf
CAD Model PreprocessorMeshing ParametersPostprocessorAnalysisDecision一、基本操作流程图（1_1）建构正确的实体模型是进行分析工作的关键。
把实体分为不同的组，转换为.stl 档，为MAGMA 分析做好准备。
如图（1_1）所示：黑色字体是使用MAGMA 的操作步骤；红色字体是分析的前期工作和后期对策。
二、ＭＡＧＭＡ的操作１、创建专案建构实体模型模流前处理实体切网格参数设定模流后处理结 果 分 析相 应 对 策图（2_1）图（2_2）图（2_3）图（2_4）专案名称.stl档图（2_5）说明：图（2_1）打开桌面图标project菜单create project 出现新对话框图（2_2）选择Iron casting铸铁模组选择结果存放路径（MAGMAsoft下）取解析方案名称回车键OK 出现新对话框图（2_3）默认系统选择直接按红框所标的键，直到图（2_4）,按OK键结束创建专案操作。
如图（2_5）的路径，把建立好的.stl档存在CMD文件夹下。
２、前处理2－1 、材质群组介绍图（2_6）在载入时一定要确保重力方向向上，如图（2_6）所示。
一般在实体建模时便给出正确的重力方向。
如果方向错误也可在MAGMA 内修改。
（见后面说明）砂模可以在建构实体时绘出，也可以在MAGMA 内绘制出。
后面有进一步说明。
2－2、OVERLAY 原理图（2_7） 图（2_8）在建构实体时有一些区域重合。
如图（2_7），ingate 连接cast 和gating ，其和两者都有交接CA VITY INSERTCAST INGATEGATING1. CAST2. INGATE3. GATING１、 砂模（sandm ） ２、 灌口（inlet ） ３、 浇道（gating ） ４、 浇道（gating ） ５、 冒口（feeder ） ６、 冒口（feeder ） ７、 入水口（ingate ） ８、 入水口（ingate ） ９、 砂芯（core ） １０、 冷铁（chill ） １１、 铸件（cast ）InletGatingGatingFeederCorechillIngateZ 轴正向CA VITY INSERTCAST INGATEGATING1. INGATE2. GATING3. CAST排序的部分。
ProCAST之铸造仿真模拟软件
1.单击Boundary
Conditions/Assign Surface，弹出边界条 件定义窗口
2.单击Add，在弹出窗 口中选择要定的边 界条件
3.利用选择工具选 择边界条件的区域， 并单击Store
4.选择边界条件， 并单击Assign
重力
1. 单击Process/Gravity,弹 出重力定义窗口
ProCAST铸造仿真模 拟软件培训
材料定义
1.单击Materials/Assign， 弹出材料定义窗口
4.左键单击选择 是否为空腔
4.单击Read， 可查看该材料 的热物理性质
（如左图）
2.用左键选择上面 红色体的材料，并 单击Assign
3.右键单击，在弹出 窗口中选择该材料所 属类型
十一、材料定义
精铸模拟操作过程举例
2.用左键单击X、 Y、Z来选择重力 大小和方向
3.单击Apply
十二、运行参数设置（注：以后内容在演示过程中分别 进行讨论，不再单独列出）
1.单击Run Parameters,定 义运行参数
1.定义铸 造类型
1.定义热 力参数
1.定义求解 基本参数
1.定义流 动参数
十三、MeshCAST-模壳建立
ProCAST可以根据化学成分计算热焓曲线、固相线曲线、密度和热导率， 可计算的合金元素如下：
采用Scheil或Lever方法进行计算， Scheil和Lever对应着两个不同的微观偏 析模型，如果是Lever，应用杠杆定律，即溶质可以在熔体中完全混合。 如果是Scheil，指的是溶质在固相中完全没有扩散。Back Diffusion模型 假定溶质在固相中可以部分扩散，是介于上述两种模型之间的模型。需 要指定平均冷却速率以确定固相中的扩散量。
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三个基本问题
1）什么是金属材料制备工艺？
通过一定的生产流程，获得可以作为工业或工程中使用的金属材料或者构件，这个过程称之为金属材料制备与加工。
2）什么是金属材料制备工艺的计算机模拟？
根据用户要求，基于一定的判据设计的制备与加工工艺过程，建立起数学物理模型，在计算机上进行造型、运算，并将得到的成千上万的数据综合在一起逼近研究对象的全貌，表达出成分工艺组织性能的演变规律，用形象的图形或者动画形式，显示出这些过程的直观画面称之为计算机模拟。
3）为什么进行金属材料制备工艺的计算机模拟？
基本的加工工艺
1）铸造，凝固成形，液固相变。
2）焊接，凝固成形，液固相变，热影响区晶粒长大。
3）压力加工，固态成形，固态相变。
4）热处理，固态相变。
5）冷成形模拟
模拟的框架1）前处理，造型，数据输入等
2）计算，算法的优化
3）后处理，模拟结果输出，判据函数
4）数据库
模拟具有实时性，模拟的准确性取决于模型的精度。
开展工艺模拟的目的
1）优化现有工艺
2）进行模具与新工艺设计
3）缩短设计、试制和生产周期，降低成本
4）工艺的可视化，工程师和模拟工作者之间能够共同分析出达到最佳工艺的判据标准
5）机理性分析
热加工过程的结果成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态
热加工工艺设计根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺，指导材料的热加工过程热加工工艺设计存在的问题
复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间接测试也十分困难
建立在“经验”、“技艺”基础上
解决方法
热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计
热加工过程模拟的意义
认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结果（组织和性能）
与制造过程结合，实现快速设计和制造
热加工过程模拟的部分商业软件
铸造PROCAST, SIMULOR
锻压DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
通用MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
三种传热方式：热对流，热传导，热辐射。
铸造生产过程中常见的边界条件
1.温度一定T=T
2.表面上的热流密度已知
3. 对流换热边界条件
4.辐射换热边界条件
5．存在接触热阻的情况6.理想接触边界条件
7.绝热边界条件
传热问题的数值计算方法
分析解法
定义：以数学分析为基础，求解导热微分方程的定解问题。
特点：求得的结果为精确解
不足：只能求解比较简单的导热问题，而对于几何形状复杂、变物性及复杂的边界条件的导热问题，难以计算。
数值解法
定义：是一种以离散数学为基础，以计算机为工具的求解方法。
特点：不能获得未知量的连续函数，而只是某些代表性地点的近似值
步骤
种类：有限差分法、有限元法、边界元法、有限容积法等
不稳定导热的有限元解法数学基础
差分法：以差分代替微分，对基本方程离散，建立以节点参数为未知量的线性方程组，而求得近似解。
优点：线性方程组的计算格式比较简单
不足：差分格式大多采用正方形、矩形和正三角形
有限元法：对连续体本身进行离散，根据变分原理求解问题
优点：适合于各种复杂形状和复杂边界条件的数值计算
不足：计算过程复杂
不稳定导热的有限元解法/二维热传导 解题方法和步骤
把传热问题转化为成变分问题；
对物体进行有限元分割，把变分问题近似的表达成线性方程组；
求解线性方程组，将所得的解作为热传导问题解的近似值。
液体的粘性
当液体的流层之间出现相对位移时，不同流动速度的流层之间会出现切向粘性切力。
切向应力可由下式表示： 上式是牛顿粘性定律。
式中，τyx 为切向应力；η为流体的动力粘度。
流体的分类：理想流体、牛顿流体和非牛顿流体
充型过程数值模拟的常用算法
充型过程流场模拟的主控方程多，且均为非线性偏微分方程，变量多，求解复杂。
计算的难点主要来自两方面：压力的求解和自由表面问题。
数值模拟常用算法
1.SIMPLE (Semi-implicit method for Pressure Linked equation)（解压力方程的半隐式方法）该方法特点：速度和压力同时迭代，可以求解计算定域，不稳定流场的问题，是典型的比较全面的计算方法。
（2）.MAC （Maker and Cell) MAC 技术的特点是直接在直角坐标系下求解，无形对方程进行dy
d υητx yx -=
变性处理；直接求解N-S 方程，因而速度边界条件容易给定。
（3） SOLA-VOF 方法 目前，铸件充型模拟软件多用这种方法。
用体积函数(Volume of fluid)代替示踪粒子来确定自由表面的位置，
浇注系统的作用 ：1.控制浇注速度2.控制浇注时间3.控制金属液流入铸型时的线速度 横浇道与直浇道的连接方式: 直角相连 浇口窝 圆弧连接
凝固组织模拟方法:
1.确定性方法: 相场方法（Phase Field ） 界面跟踪方法 Front-Tracking
Level-Set 方法 Sharp Interface 方法
2.统计性方法: 蒙特卡罗方法 元胞自动机方法
元胞自动机方法的优点: 1.规则简单，物理意义明确；2.具有统计性方法的优点，能够体现凝固过程中的随机性。
3.模拟剖分尺寸不受模型限制。
目前元胞自动机方法存在的问题(缺点): 1.无法准确知道固液界面位置；2.在界面前沿溶质浓度的计算上；3.固液界面的速度无法准确知道；4.固液界面形貌；
结晶潜热的计算方法：1.温度回升法2.等价比热法（有效比热法或当量比热法）3.热焓法 缩孔、疏松预测模型：1. 等温度、等固相率曲线 法（凝固等温线法 临界固相率法）
2. 温度梯度法
3.流导法 4．固相率梯度法
5． 和 法 6.压力梯度法7.液态金属补缩距离法
作业
1. 什么叫金属材料制备及加工工艺模拟，为何要进行金属材料制备及加工工艺模拟？
1、传热问题数值计算有几种方法？
2、微商和差商如何定义？差商有几种形式？
3、试述不稳定导热的有限差分法解题步骤
1、试述有不稳定导热的有限元解法的解题思想和步骤。
2、比较不稳定导热的有限差分法和有限元解法的优缺点，并例举一些与上述算法相应的常用模拟软件。
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R G。