procast

ProCAST 軟體是由美國 UES（UNIVERSAL ENERGY SYSTEM） 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、凝固和冷卻過程等提供模擬，提供了很多模組和工程工具來滿足鑄造工業最富挑戰的需求。基於強大的有限元分析，它能夠預測嚴重畸變和殘餘應力，並能用於半固態成形，吹芯工藝，離心鑄造，消失模鑄造、連續鑄造等特殊工藝。

基本介紹

• 外文名：procast
• 研究：設計結果
• 適用：砂型鑄造、消失模鑄造
• 採用：標準化的用戶界面

適用範圍

ProCAST適用於砂型鑄造、消失模鑄造、高壓鑄造、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、觸變成形、流變鑄造。由於採用了標準化、通用的用戶界面，任何一種鑄造過程都可以用同一軟體包ProCAST進行分析和最佳化。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。

軟體操作界面

主要功能

資料庫

ProCAST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旗下的熱物理仿真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，用戶本身也可以自行更新和擴展材料數據。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用戶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參數。

模擬分析

ProCAST可以分析縮孔、裂紋、裹氣、沖砂、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。

分析模組

ProCAST是針對鑄造過程進行流動一傳熱一應力耦合作出分析的系統。它主要由8個模組組成：有限元格線劃分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(Radiation)、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，也可以根據用戶需要有選擇地使用。對於普通用戶，ProCAST應有基本模組、流動分析模組、應力分析模組和格線劃分模組。

1)傳熱分析模組

本模組進行傳熱計算，並包括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，也可以是時間或溫度的函式。ProCAST配備了功能強大而靈活的後處理，與其他模擬軟體一樣，它可以顯示溫度、壓力和速度場，又可以將這些信息與應力和變形同時顯示。不僅如此，ProCAST還可以使用x射線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。

鑄件頂出後型腔和鋁鑄件的溫度分布

2)流體分析模組

流體分析模組可以模擬包括充型在內的所有液體和固體流動的效應。ProCAST通過完全的Navier—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：Navier—Stokes流動方程，自由表面的非穩態充型，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)，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)，牛頓流體模型(以Carreau．Yasuda冪律模型來模擬塑膠、蠟料、粉末等的充型過程)，紊流模型(用以模擬高壓壓力鑄造條件下的高速流動)，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)，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。

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、鑄型界面的機械接觸模型，鑄件疲勞預測，殘餘應力分析，最終鑄件形狀預測。

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。

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繫，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預測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參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El/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、滲碳體和珠光體的成分、多少以及相應的潛熱釋放。

6)電磁感應分析模組

電磁感應分析模組主要用來分析鑄造過程中涉及的感應加熱和電磁攪拌等問題，如半固態成形過程中的用電磁攪拌法製備半固態漿料及半固態觸變成形過程中用感應加熱重熔半固態坯料。這些過程都可以用ProCAST對熱流動電磁場進行綜合計算和分析。

7)格線生成模組

MeshCAST自動產生有限元格線。這個模組與商業化CAD軟體的連線是天衣無縫的。它可以讀入標準的CAD檔案格式如IGES，Step，STL或者Parsolids。同時還可以讀諸如I-DEAS，Patran，Ansys，ARIES或ANVIL格式的表面或三維體格線，也可以直接和ESI的PAMSYS．TEM和GEOMESH無縫連線。MeshcastTM同時擁有獨一無二的其他性能，如初級CAD工具、高級修復工具、不一致格線的生成和殼型格線的生成等。

8)反向求解模組

本模組適用於科研或高級模擬計算之用。通過反算求解可以確定邊界條件和材料的熱物理性能，雖然ProCAST提供了一系列可靠的邊界條件和材料的熱物理性能，但有時模擬計算對這些數據有更高的精度要求，這時反算求解可以利用實際的測試溫度數據來確定邊界條件和材料的熱物理性能，以最大限度地提高模擬結果的可靠性。在實際套用技術中首先對鑄件或鑄型的一些關鍵部位進行測溫，然後將測溫結果作為輸入量通過ProCAST反向求解模組對材料的熱物理性能和邊界條件進行逐步疊代，使技術的溫度/時間曲線和實測曲線吻合，從而獲得精確計算所需要的邊界條件和材料熱物理I生能數據。

基本特點

ProCAST採用基於有限元法(FEM)的數值計算方法與有限差分(FDM)相比，有限元法具有較大的靈活性，特別適用於模擬複雜鑄件成形過程中的各種物理現象。有限元法的優點可以歸納如下：

①好的幾何描述能力。FEM可以精確描述曲面，而FDM只能以階梯形簡化描述曲面。

②建模過程中如需局部格線細化，有限元格線無須像有限差分法那樣把細化影響到整修模型，這樣使FEM的單元和節點數明顯少於FDM。

③以彈性、彈塑性、彈粘塑性模型進行應力和熱的耦合分析時，只能採用有限元法。有限差分法由於格線不能變形而不能進行應力分析。

④在處理和充型方向相平行的曲面時，由於有限元法能夠精確描述曲面邊界，因而能準確模擬鑄件充型的流場；而有限差分法在描述鑄件曲面邊界時，由於斷面成鋸齒狀而造成較大的偏差。

⑤在精確處理輻射傳熱問題時，視角係數和陰影效果的計算，要求準確地描述外表面及相應方位。因此，FDM無法處理複雜的輻射問題。

ProCAST作為針對鑄造過程進行流動一傳熱一應力耦合求解的軟體包，能夠模擬鑄造過程中絕大多數問題和許多物理現象。在鑄造過程分析方面，ProCAST提供了能夠考慮氣體、過濾、高壓、旋轉等對鑄件充型的影響；能夠模擬出氣化模鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過程，並能對注塑、壓制臘模、壓制粉末等的充型過程進行模擬。

在傳熱分析方面，ProCAST能夠對熱傳導、對流和輻射等3種傳熱方式進行求解，尤其是引入最新“灰體淨輻射法”模型，使ProCAST擅長於解決精鑄及單晶鑄造問題。

在應力分析方面，通過採用彈塑性和粘塑性及獨有的處理鑄件/鑄型熱和機械接觸界面的方法，使其具有分析鑄件應力、變形的能力。

在電磁分析方面，ProCAST可以分析鑄造過程所涉及的感應加熱和電磁攪拌等。

以上的分析可以獲得鑄造過程中的各種現象、鑄造缺陷形成及分布鑄件最終質量的模擬和預測。

ProCAST以模擬鑄造過程的基本功能劃分模組，而不以鑄造方法進行模組劃分。各模組根據可靠數據不僅能模擬鑄造過程，還能夠模擬出熱處理和焊接等方面的問題。這極大地方便了用戶，使用戶可以靈活地套用軟體解決多種工藝問題。

ProCAST的前後處理完全基於OSF/Motif的ProCAST的用戶界面。通過提供互動選單資料庫和多種對話框完成用戶信息的輸入。ProCAST具有全面的線上幫助，具有良好的用戶界面。ProCAST通過提供與通用機械CAD系統的接口，直接獲取鑄件實體模型的IGES檔案或通用CAE系統的有限元格線檔案。

ProCAST還可以將模擬結果直接輸出到CAD系統接口，尤其可以通過I-DEAS直接讀取ProCAST結果檔案。這使得ProCAST極易與具有設計加工功能的CAD/CAM/CAE系統相集成，實現數據共享，大幅度提高鑄造生產率。ProCAST可運行於WindowsNT，Windows2000，WindowsXP，Linux和UNIX平台，對硬體沒有特殊要求。同時，ProCAST也可運行於矢量計算機上和進行並行處理。ProCAST採用TK/TCL跨平台語言，所有平台的升級均同時進行，無須任何第三方軟體支持。

模擬過程

1)創建模型可以分別用IDEAS，UG，PATRAN，ANSYS作為前處理軟體創建模型，輸出ProCAST可接受的模型或格線格式的檔案。

車輪鑄件模擬

2)MeshCAST對輸入的模型或格線檔案進行剖分，最終產生四面體格線，生成XX．mesh檔案，檔案中包含節點數量、單元數量、材料數量等信息。

3)PreCAST分配材料、設定界麵條件、邊界條件、初始條件、模擬參數，生成xxd．dat檔案和xxp．dat檔案。4)DataCAST檢查模型及PreCAST中對模型的定義是否有錯誤，若有錯誤則輸出錯誤信息，若無錯誤則將所有模型的信息轉化為二進制，生成xx．unf檔案。

6)ProCAST對鑄造過程模擬分析計算，生成XX．unf檔案。

5)ViewCAST顯示鑄造過程模擬分析結果。(Z)PostCAST對鑄造過程模擬分析結果進行後處理。