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Procast/QuikCAST

作者: 华克斯 时间:2017-05-18 来源:未知

 
 
 
 
 

铸造仿真软件介绍
ProCAST/QuikCAST
 
 
 
 
 
 
 
 
苏州华克斯信息科技有限公司
0512-62382981
sinocax@sinocax.com
 
 
 
 
 
一、简介
Procast/QuikCAST针对铸造的强大的技术研发团队,拥有美国、瑞士两个研发中心和技术支持中心,在印度有一个界面开发中心,在十五个国家有支持中心。
在中国拥有强大的技术支持团队,并且拥有清华大学、沈阳金属所、河北工业大学、山东大学等合作中心和外聘顾问,主要分布在北京、上海、成都,为全国提供技术支持、咨询和服务。
二、 铸造解决方案
铸造解决方案分为有限元算法和有限差分算法解决方案。有限元算法解决方案即ProCAST高端解决方案,主要采用有限元技术,主要针对大型科研机构和高端用户,计算精度更高,相对而言对人员要求更高;有限差分解决方案即QuikCAST(目前已经并入到ProCAST作为其一个差分计算模块)普通铸造工艺快速评估解决方案,采用有限差分技术,主要针对中低端用户,相对而言对人员要求不高。
铸造解决方案具有很好的CAD/CAE 集成度,并与产品设计PDM系统紧密结合。其采用先进的有限元技术和有限差分技术,真正实现了热、流动、应力、微观的完全耦合,配备了功能强大的数据接口,自动化的网格工具,高效易用的后处理,同时可以集成ESI热物理相关产品Calcosoft(专业连铸模拟)、SYSWELD(热处理与焊接模拟)、CFD-ACE(流体及电磁模拟)的优势功能,形成了一套完整的铸造、焊接、热处理模拟解决方案。

 
 
l 部分国内用户列表
西安航空发动机集团             中国贵州航空工业集团公司安吉铸造
庆安集团有限公司               哈尔滨东安发动机公司(航空二集团)
南方航空动力车辆公司           北京航空航天大学
西北工业大学                   中船重工12所
中国工程物理研究院             重庆大学
齐齐哈尔车辆厂                 青岛四方车辆厂
株洲时代集团                   二七车辆厂
攀枝花钢铁有限公司研究所       大连重工铸钢有限公司
大连理工大学                   鸿富锦精密工业公司
江铃有色金属压铸厂             上海大学
江苏大亚沃得轻合金有限公司     泰州精鼎铸造厂
陕西车辆发动机研究所           珠海维斯达电子
沈阳黎明航空发动机集团有限公司 马鞍山钢铁股份有限公司
北京理工大学                   钢铁研究总院
长春客车厂                     中国一汽铸造
中科院金属研究所               鞍山重机
深圳泰钢合金有限公司           重庆长征机械厂
重庆衡山机械厂                 贵航红林机械厂
7103厂                        中南大学
中信重工                       LG 电子
中冶京诚                       北京科技大学
北方交大                       集美大学
金鼎                           南京钢铁集团
无锡鹰普精密铸造有限公司     广州维志电子科技有限公司
东风精密铸造                 硕利特(昆山)精密工业
东风朝阳柴油机有限公司       东方汽轮机有限公司
苏州有色金属研究院           圣泉集团
南昌航空大学                 上海华培动力科技有限公司
洛阳船舶材料研究所          陕西秦川机床工具集团有限公司
山西汾西重工有限责任公司    北京有色金属研究总院
潍坊通源压铸有限公司        东营嘉扬精密金属有限公司
惠州先进科技(惠州)有限公司 中国第一重型机械集团公司
中国第二重型机械集团公司     江苏科技大学
大连华锐铸钢有限责任公司     GE中国研究院
南阳理工学院                 昆明理工大学
机械研究总院                 中南大学
安徽应流集团                 河北戴卡
西峡县内燃机进排气管有限责任公司  江淮重工
大连造船厂               苏州春兴精工股份有限公司
 
 
 
 
 
 
另附国内外典型客户
TU BERG AKADEMIE FREIBERG,ABILITY S.R.O,VSB TU OSTRAVA,BRNO UNIVERZITY OF TECHNOLOGY,FAKULTA STROJNIHO INZENYRSTVI,GUANGDONG HONGTU TECHNOLOGY (HOLDING) CO., LTD,ZHUHAI HUARUN WEISIDA ELECTRONIC INSTITUTE,AZTERLAN,COMERCIAL AIANOX 2000,INYECTAMETAL,HOANG TRUNG TRADCO CO. LTD,IIUM(INTL ISLAMIC UNIV OF MALAYSIA), THONBURI,AISHIN AW,HONDA ENG. JAPAN,MITSUBISHI MOTOR MMC,Y-TECH,A.V AGENCIES,PROCESS AND PRODUCT DEVELOPMENT CENTER,FALCON FOUNDRY COMPANY,LBQ FOUNDRY,BONNEY FORGE CORPORATION,CARPENT ER TECHNOLOGY,ST. CLAIR DIE CASTING, LLC,ALSTOM SWITZERLAND,FERRAMENTARIA JN,INTER ALLOY FUNDICAO,INTI MECANICA,NEPTUNO,ITALO LANFREDI SA,AFC LA FONTE ARDENNAISE,ALUTEC,APM LAVAL,CEA VALDUC,PSA,SAM TECHNOLOGIES – GROUPE ARCHE,CTIF,ESFF ECOLE SUP DE FONDERIE ET DE FORGE PULV,LE BELIER EXFAB  (FONDERIE ET ATELIER DU BELIER),FLORENCE ET PEILLON,SFU ( FONDERIE USSEL),FAGOR EDERLAN,RUSSEL,FONDERIE DU POITOU,JMA,KURIM,DIANELSON,DIACE,PRODISMO,ESSEN,CTA WHEELS,FONDERIE MATOUR,IMBIL,AURRENAK,CASUSO,ALIASA,ITALO LIFRENDI,KARTHOUM UNIVERSITY,NUSSBAUM,MAFODER,DENIZICLER,ISIK,IMD,FOMA,KS GROUP,FISEP SRL,GAMESA,ALUMINUM PRESS,AGOSTINO FERRARI,FUNDICION PACIFICO,SRS,JEGAN,ALIASA,DURITCAST,MANOIR INDUSTRIES,FONDERIE COLIGNON,Liaoning Chaoyang Diesel Engine Co., Ltd,Beijing Institute of Aeronautical Materials,(KHC) Huntington Enterpries Co., Ltd,Thixomag Technology (Wuhu) Co.,Ltd,Zheng Yang Mold Manufactory,Yuan Jun Fong Casting Co., Ltd,Fuzhou Samuel Mechanical and Electrical Co.,Ltd
 
 
 
 
 
 
l 背景
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。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 SA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,随后ProCAST(有限元铸造仿真)又整合了Calcosoft(连续铸造仿真)。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与QuikCAST(有限差分元铸造仿真)、SYSWELD(热处理与焊接模拟)一起组成ESI完整的材料热处理成型综合解决方案。
l 功能简介
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,精确显示冷隔、裹气和氧化夹杂的位置。凝固过程中凝固收缩、微观组织的形成、转变及残余应力与变形,热裂纹、冷裂纹,可准确地预测缩孔、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。因为有限元算法的原因,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。
ProCAST提供了能够预测评估整个铸造过程的完整软件解决方案,包括模型充填、凝固、微观组织和应力的模拟。能够快速可视化铸造过程,在制造过程的前期做出正确的决策。
通过铸造模拟软件的使用,可大大缩短铸件的试制、生产周期,降低生产成本,解决铸件成品率低的难题。
 

 
 
l 适用范围
模块化设计适合任何铸造过程的模拟。用户只需购买基础模块,便可以实现大部分(非特殊工艺)铸造模拟,为企业节约大量成本。

铜部件的低压金属型铸造                     船用发动机本体的砂型铸造
 
  • 高压铸造、低压铸造、差压铸造
  • 重力砂模铸造,金属型铸造
  • 倾转浇注
  • 熔模精密铸造,
  • 半固态铸造
  • 消失模铸造
  • 离心铸造
  • 连续铸造
  • 等等
l 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。

 
 
 
l ProCAST软件的特点
ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法与有限差分(FDM)相比,有限元法具有较大的灵活性,特别适用于模拟复杂铸件成形过程中的各种物理现象。有限元法的优点可以归纳如下:
l  ①好的几何描述能力。FEM可以精确描述曲面,而FDM只能以阶梯形简化描述曲面。(下图)
 
 
l  ②建模过程中如需局部网格细化,有限元网格无须像有限差分法那样把细化影响到整个模型,这样使FEM的单元和节点数明显少于FDM,可以大大减少计算量及计算时间。(下图)

 
 
 
l  ③以弹性、弹塑性、弹粘塑性模型进行应力和热的耦合分析时,只能采用有限元法。有限差分法由于网格不能变形而不能进行应力分析。因此PROCAST计算应力有明显的优势。(见下图)
l  ④在处理和充型方向相平行的曲面时,由于有限元法能够精确描述曲面边界,因而能准确模拟铸件充型的流场;而有限差分法在描述铸件曲面边界时,由于断面成锯齿状而造成较大的偏差。(见下图)
l  ⑤在精确处理辐射传热问题时,视角系数和阴影效果的计算,要求准确地描述外表面及相应方位。因此,FDM无法处理复杂的辐射问题。(见下图)

相对于有限差分网格(FDM),有限元网格(FEM):

能更好地表征几何体几何特征
对薄壁零件和复杂形体更有优势
能更好地处理流动问题
能方便进行应力计算 (实现应力全耦合)
分析模型较小
节省计算内存
节省磁盘空间
节省计算时间
更容易进行前后处理
与FDM相比,计算理论和公式更成熟

l 模块介绍

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。
ProCAST共有功能强大,下面分别阐述相应的功能。

 
模块功能示意图
 
 
 
1、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充填,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
冲砂 紊流 浇不足 冷隔 裹气 夹渣 溢流口位置 流动距离
  • 求解器全三维N-S流体流动方程
  • 倾转浇注:可任意设置旋转轴、倾转速度
  • 半固体材料的非牛顿流体流动模型
  • 任意形式或方向(直孔)的过滤网
  • 湍流模拟
  • 可压流体模型
  • 消失模模型
  • 金属液的速度、压力、粒子跟踪、矢量方向等
      
粒子追踪
 
 
 
                   
 
2、热求解器
热求解器通过考虑传导、对流和辐射计算传热。通过焓的形式来描述凝固和固相转变中的潜热。
主要特点
热节 缩孔 宏观、微观缩松 模具冷却、加热参数优化 浇口、冒口设计
  • 瞬态,非线性三维热传导
  • 热、对流和辐射
  • 利用焓的形式考虑相变
  • 耦合应力计算,自动调整铸件与模型间气隙引起的热阻变化
  • 虚拟模型(砂型、金属型等),减少计算量
   
   
大型钢部件管件收缩预测         
              
 
 
 
 
 
3、应力求解器
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、冷裂纹、铸型疲劳预测和铸件最终形状等。
主要特点
热、机械接触应力 热裂纹、冷裂纹 扭曲变形 模具疲劳 铸件应力集中及模具残余应力
  • 非线性应力分析
  • 自动接触分配和评估(热和力)
  • 应力-温度-流动全耦合计算
  • 可以考虑气隙对换热的影响
  • 开模和去除浇冒口时的变形、回弹及应力变化

变形

 
 
 

                       热裂纹的验证

                        模具疲劳损坏
4、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,从模壳的一个区域到另一个区域的自辐射影响是非常显著的(尤其是高温合金)。
主要特点
  • 包括自辐射影响的准确热分析结果
  • 针对模型或炉体相对有运动的工艺,自动更新辐射角系数(单晶叶片生产工艺)
  • 包括壳型预热的整个过程模拟
  • 快速角系数计算算法
  • 在网格工具中生成不同厚度的模壳
    
 
                       考虑和未考虑辐射对比
 
5、反向模拟
ProCAST的反向模拟,根据实测模型或铸件上某点的温度曲线,通过反射求解确定材料属性或边界条件,提高后续计算的准确度。
主要特点
  • 确定时间和温度相关的界面系数
  • 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
 
6、高级疏松模块(APM模块)
大多数模拟方案限定孔隙的预测为基于金属液体演变的宏观孔隙。这种简化方法没有考虑气体溶解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。例如:合金凝固过程中C,N,H,O等气体析出造成的气孔分布。
主要特点
  • 考虑糊状区的压降
  • 考虑气体溶解度。
  • 气孔的位置及程度


铝合金高压铸造部件第三级活塞压力和氢气含量的影响

 
 
7、微观组织MICROSTUCTURE
ProCAST微观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合模拟。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、渗碳体和珠光体的成分、多少以及相应的潜热释放。
同时,应用该模块还可以进行铸件热处理模拟,计算得到奥氏体、贝氏体、铁素体、马氏体等 +残余应力+变形等。
另外PROCAST计算铸铁时,不仅考虑了材料的密度曲线,同时还考虑了微观组织变化引起的石墨化膨胀。使得铸铁计算更加准确可靠。如图

 
主要特点
可用的确定性模型:
  • 等轴枝晶(DAS) (equiaxed dendritic (DAS))
  • 石墨球半径
  • 球墨铸铁共晶(SGI)(ductile iron eutectic (SGI))
  • 灰口/白口铁共晶(gray/white iron eutectic)
  • 球墨铸铁共析(ductile iron eutectoid)
  • 灰口铁共析(gray iron eutectoid)
  • 包晶转变(peritectic transformation)
  • 硬度(scheil model)
  • 铁/碳固态转变(iron/carbon solid state transformation)
 
 
 

                          硬度和延伸率

       奥氏体和珠光体                     球墨铸铁部件砂型铸造的珠光体分布
 
 
 
8、晶粒结构模拟 CAFE
晶粒结构模块基于随机方法(细胞自动机(cellular automation))和有限元(CAFÉ模型)的耦合,能够预测晶粒结构的凝固。
主要特点
  • 预测柱状和等轴枝晶粒结构
  • 对单晶部件预测杂散晶体
  • 晶体结构的演变
  • 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。

 
 

                    晶粒生长实验验证
 
 
 
9OPT 优化模块
可以用来计算出最佳设计参数。(计算得到最好生产效果的边界条件)
可以制定边界条件(浇注速度、浇注温度、模具初始边界条件)的范围,软件自动优化出最优的搭配结果。

 
 
10、材料计算模块
除了基本的材料数据库外,ProCAST还拥有铝基、铁基、钛基、镁基、钴基、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。

 
 
l VE新一代ProCAST前后处理平台
 
如今ProCAST与Visual-Environment(VE可视化环境)界面全面结合,VE 包括:
  •  Visual-Mesh网格划分
  •  Visual-Cast  前处理设置
  •  Visual-Viewer 后处理结果分析

 
 
1.      网格划分与工具 Visual-Mesh
Visual-mesh,ProCAST新一代的CAD界面和网格生成器,流程化的几何网格出来界面,使得网格生成更快速、简单。
 
 
主要特点
  • 自动生成三维网格(四面体、六面体及四面体六面体混合网格)
  • CAD几何可通过AutoCAD、UG,CATIA,PROE数据专用接口导入
  • 通用的格式如PARASOLID、STEP, IGES、STL格式支持
  • 直接导入其它通用软件生成的有限元网格(Ansys、Hyperworks、Patrant、ANSA等)
  • 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
  • 自动快速的网格生成
  • 良好的网格质量和质量检查
  • 确保流体流动分析的网格
  • 熔模铸造的自动生成壳体
  • 网格布尔运算和网格装配
2Visual-Cast前处理器
可以通过ProCAST图形用户界面来定义各种边界条件。这些丰富的功能能够准确模拟所有铸造情况。所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。
    


3Visual-Viewer专用后处理器
Visual Viewer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。
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(ansys Abqus VPS Sysweld DEFORM)中,进行联合仿真,如:残余应力、缩松缩孔的联合强度分析等。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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
VisualViewer提供很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
      
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                       金属前端追踪

 
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使用有限元网格,较少的网格数量即可完美表达模型信息,所以对硬件平台需求较低,普通家用电脑便可进行铸造仿真。如用户为达到较快的计算速度,可使用多核(SMP)或多电脑同时计算(DMP)。
操作系统
WINDOWS
LIUNX or UNIX
 
 
五、国内成功案例
      PROCAST成功案例非常多,具体请在网上搜索相关文献。
 
附件:
一、ProCAST优势简述
1)采用有限元技术,能准确地进行流动,热传导和应力的分析
   ProCAST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。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;计算结果更准确。
2ProCAST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。可扩充的材料库可以通过输入材料的热物性参数如:热导率、密度、比热、热焓、固相率、潜热、粘度、表面张力、渗透率、热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、屈服应力、硬化、粘塑性等来构建新的材料库数据。
3ProCAST可以采用基本的模块完成几乎所有方式的铸造模拟
比如使用基本模块即可以完成对砂铸,重力,低压,高压,倾转等铸造的模拟,无需按铸造方式和铸造材料种类购买和添加模块。所以更加灵活和经济,为企业节约大量成本。
4ProCAST复合了Visual-Mesh新一代几何网格工具,配合有限元特有的不连续网格支持技术,使得建立网格的速度大大提高。
5)因为采用有限元计算,温度场、应力、变形、裂纹计算优势更明显。
6)辐射计算更准确
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,考虑从模壳的一个区域到另一个区域的自辐射影响是非常显著的。而只有有限元算法才能更好的考虑辐射角系数,因此,ProCAST辐射计算优势明显。
7)在铸造模拟中,可以充分考虑背压的影响。计算流场更准确
8)更精确地表征几何体几何特征
对薄壁零件(如叶片)和复杂形体更有优势,能更好地处理流动问题。由于能采用无级变化网格和非连续网格,分析模型较小,节省计算内存,节省磁盘空间,节省计算时间,更容易进行前后处理。有限元网格的特性可以使得计算结果更准确。
9)具备多工艺链式分析能力
对于铸造后工艺的模拟,ProCAST可以将计算所得的结果无缝链接到其它软件进行链式仿真,可以耦合计算结果到ABAQUS ,PAM-CRASH,SYS-WELD ,DEFORM等等软件中进行链式耦合分析。
如:应力应变值无缝传递到ESI公司专业的热处理仿真软件SYSWELD-HT中,作为后续热处理工艺分析的边界条件,使得热处理工艺模拟更为准确。
10)强大的公司背景。
本公司是目前世界上唯一拥有铸造分析有限元模拟软件ProCAST(高级分析,精密模拟)和差分元模拟软件QuickCAST(快速分析,基本模拟)的公司,并具有知名的材料热物理微观模拟软件Calcosoft。强大的财力支持和技术后盾保证了产品的后续发展和支持服务。同时ESI公司在中国有分公司,具备专业的技术支持能力。