引進(jìn)Procast鑄造仿真軟件項(xiàng)目建議書(shū)

1、目 錄1背景22鑄造模擬仿真對(duì)我院的作用32.1鑄造仿真對(duì)7室的作用32.2鑄造仿真對(duì)鑄鋼廠的作用33鑄造仿真軟件的調(diào)研與考核44軟件開(kāi)發(fā)商法國(guó)esi集團(tuán)簡(jiǎn)介55procast軟件特點(diǎn)66procast軟件效果預(yù)評(píng)176.1三維模型建立186.2網(wǎng)格劃分196.3工藝條件與計(jì)算參數(shù)196.4數(shù)值計(jì)算216.5結(jié)果顯示216.6分析及建議247procast軟件在我院使用構(gòu)想257.1鑄造模擬解決方案使用部門(mén)257.2鑄造模擬解決方案硬件需求268procast軟件模塊配置建議271 背景長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于鑄造工藝的改進(jìn)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)，一直缺乏一套專(zhuān)業(yè)的、有效的方法和手段。模擬是控制設(shè)計(jì)、制造過(guò)

2、程并預(yù)測(cè)產(chǎn)品早期服役可能出現(xiàn)問(wèn)題的最好解決方法。當(dāng)前，有限元理論已十分成熟，相應(yīng)的模擬商業(yè)軟件也逐步趨于成熟，并在各行各業(yè)逐步發(fā)揮其巨大的作用?，F(xiàn)代制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，性能、精度要求也越來(lái)越高，依賴(lài)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)手段設(shè)計(jì)費(fèi)用越來(lái)越高，周期越來(lái)越長(zhǎng)，也越來(lái)越不容易保證可靠性。而從一些發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，仿真技術(shù)的應(yīng)用可以大大減少試驗(yàn)的比重，減少了設(shè)計(jì)的盲目性，節(jié)省巨額的設(shè)計(jì)費(fèi)用，設(shè)計(jì)周期也大大縮短。從我院專(zhuān)業(yè)發(fā)展的角度看，急需在數(shù)值仿真這一方面提高一個(gè)層次，實(shí)現(xiàn)我院研發(fā)能力的跨越式發(fā)展。鑄造仿真軟件的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)技術(shù)含量很高、專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的工作，作為一個(gè)設(shè)計(jì)單位，自行開(kāi)發(fā)不切實(shí)際。國(guó)內(nèi)一些專(zhuān)業(yè)單位開(kāi)發(fā)的

3、同類(lèi)產(chǎn)品在實(shí)用性、規(guī)范性和易用性等方面都有不足。esi集團(tuán)的procast是業(yè)界領(lǐng)先的鑄造過(guò)程模擬軟件，基于強(qiáng)大有限元求解器和高級(jí)選項(xiàng)，提供高效和準(zhǔn)確的求解來(lái)滿足鑄造業(yè)的需求。與傳統(tǒng)的嘗試出錯(cuò)修改方法相比，procast是減少制造成本，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，以及改善鑄造過(guò)程質(zhì)量的重要的、完美的解決方案。2 鑄造模擬仿真對(duì)我院的作用引進(jìn)procast軟件，從短期來(lái)看會(huì)提高設(shè)計(jì)和工藝制造水平，在當(dāng)前在研項(xiàng)目中立即產(chǎn)生效益；而從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，制造工藝計(jì)算和仿真手段的大量應(yīng)用必將徹底改變我院原有的制造工藝方式，最終提高我院鑄造工藝的整體水平。2.1 鑄造仿真對(duì)xx室的作用xx室目前有很多鈦合金鑄件的鑄造過(guò)程需要模

4、擬來(lái)解決，其主要原因是：一、采用傳統(tǒng)的試錯(cuò)法，費(fèi)用昂貴、周期太長(zhǎng)；二新產(chǎn)品大多沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，院以工藝摸索時(shí)間比較長(zhǎng)，尤其是一些鈦合金材料。2.2 鑄造仿真對(duì)鑄鋼廠的作用鑄鋼廠目前某些件的鑄造出品率不是很高，引進(jìn)鑄造模擬仿真軟件將大大節(jié)省提高鑄鋼廠的鑄造工藝出品率和工藝水平，大大縮短生產(chǎn)周期，有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。另外鑄造模擬仿真對(duì)于我院技術(shù)的傳承也很有幫助，通過(guò)仿真我們可以將鑄造技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)的直觀的描述和記錄，使得過(guò)去的一些抽象的經(jīng)驗(yàn)變?yōu)楹?jiǎn)單明了的紙面文檔進(jìn)行記載和保存，有利于鑄造技術(shù)的延續(xù)和資源共享。3 鑄造仿真軟件的調(diào)研與考核經(jīng)過(guò)上述分析，鑄造仿真軟件的引入是十分必要的，它對(duì)我院

5、的虛擬制造技術(shù)和鑄造技術(shù)的發(fā)展將起到極大的推動(dòng)作用。因此我們對(duì)市面上的鑄造仿真軟件進(jìn)行了調(diào)研和考核。由于我們?cè)呵闆r特殊，新材料較多，院以精鑄和自動(dòng)根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算合金熱物理性能的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)我們顯得尤為重要，而procast相對(duì)這兩方面最好，而且升級(jí)及功能又最全，以及同類(lèi)企業(yè)（國(guó)內(nèi)如621、410、430、百慕等；國(guó)外如alcoa, alcan, umicore, mkm, selee (filters), kawasaki steel, mitsubishi, pechiney, hydro, elkem, vaw等）的鑄造cae系統(tǒng)的選用情況，最終選定專(zhuān)業(yè)鑄造軟件procast作為我院鑄

6、造仿真的工具。4 軟件開(kāi)發(fā)商法國(guó)esi集團(tuán)簡(jiǎn)介esi集團(tuán)是在法國(guó)巴黎上市的世界最大最著名的cae軟件公司之一。作為虛擬測(cè)試方案的先鋒，esi集團(tuán)是全球首屈一指的材料物理學(xué)數(shù)值模擬原型和制造流程供應(yīng)商。esi集團(tuán)成功的關(guān)鍵在于使用真實(shí)材料物理特性，能夠進(jìn)行更真實(shí)的模擬，來(lái)代替耗時(shí)的物理樣機(jī)嘗試和糾錯(cuò)過(guò)程。esi集團(tuán)開(kāi)發(fā)了一系列完整的面向工業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品，真實(shí)模擬產(chǎn)品在測(cè)試中的性能，精細(xì)協(xié)調(diào)制造過(guò)程與預(yù)期的產(chǎn)品性能間的關(guān)系，并評(píng)估環(huán)境對(duì)產(chǎn)品使用的影響。esi集團(tuán)主要產(chǎn)品分為虛擬樣機(jī)、虛擬制造和虛擬環(huán)境三大類(lèi)。esi集團(tuán)的產(chǎn)品組合，已經(jīng)被工業(yè)界廣泛驗(yàn)證并與多向價(jià)值鏈相結(jié)合，代表著獨(dú)特的協(xié)同、虛擬工程方

7、案，稱(chēng)為虛擬試驗(yàn)空間（vtos），能夠持續(xù)對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。esi集團(tuán)在軍工界有大量客戶，并承擔(dān)了法國(guó)及歐洲眾多航空航天及防務(wù)方面的咨詢(xún)項(xiàng)目。2005財(cái)政年度的收入約為6300萬(wàn)歐元，在全球擁有逾近600名高層次專(zhuān)家。公司及其全球代理網(wǎng)絡(luò)為30多個(gè)國(guó)家的客戶提供銷(xiāo)售和技術(shù)支援。 5 procast軟件特點(diǎn)背景procast自1985年開(kāi)始一直由位于美國(guó)馬里蘭州首府a(chǎn)nnapolis的ues software進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并得到了美國(guó)政府和諸多研究機(jī)構(gòu)的大力資助。1990年后，位于瑞士洛桑的calcom sa和瑞士聯(lián)邦科技研究院也加入了procast部分模塊的開(kāi)發(fā)工作，基于其強(qiáng)大的材料物理背景，c

8、alcom在procast的晶粒計(jì)算模塊和反向模塊開(kāi)發(fā)上貢獻(xiàn)良多。2002年，procast和calcom sa先后加入esi集團(tuán)。esi也重新整合了其原有的熱物理模擬隊(duì)伍如pam-cast和sysweld，這樣procast（有限元鑄造仿真）整合了calcosoft（連續(xù)鑄造仿真），與pam-cast（有限差分元鑄造仿真）、sysweld（熱處理與焊接模擬）一起組成esi完整的材料熱處理成型綜合解決方案。功能procast是為評(píng)價(jià)和優(yōu)化鑄造產(chǎn)品與鑄造工藝而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)cae系統(tǒng)，借助于procast系統(tǒng)，鑄造工程師在完成鑄造工藝編制之前，就能夠?qū)﹁T件在形成過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分

9、析并預(yù)測(cè)鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化鑄造設(shè)備參數(shù)和工藝方案。procast可以模擬金屬鑄造過(guò)程中的流動(dòng)過(guò)程，精確顯示充填不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置以及殘余應(yīng)力與變形，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縮孔、縮松和鑄造過(guò)程中微觀組織的變化。作為esi集團(tuán)熱物理綜合解決方案的旗艦產(chǎn)品，procast是院有鑄造模擬軟件中現(xiàn)代cad/cae集成化程度最高的。是目前唯一能對(duì)鑄造凝固過(guò)程進(jìn)行熱流動(dòng)應(yīng)力完全耦合的鑄造模擬軟件。適用范圍模塊化設(shè)計(jì)適合任何鑄造過(guò)程的模擬。 高、低壓鑄造（high and low pressure die casting） 砂模鑄造，金屬型鑄造和斜澆注（sand casting, gravity die cast

10、ing and tilt pouring） 熔模鑄造，殼模鑄造（investment casting, shell casting） 消失模鑄造和離心鑄造（lost foam and centrifugal casting） 等等材料數(shù)據(jù)庫(kù)procast可以用來(lái)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(tǒng)合金和聚合體。esi旗下的熱物理仿真研究開(kāi)發(fā)隊(duì)伍匯集了全球頂尖的五十多位冶金、鑄造、物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)、流體力學(xué)和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科的專(zhuān)家，專(zhuān)業(yè)從事procast和相關(guān)熱物理模擬產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。得益于長(zhǎng)期的聯(lián)合研究和工業(yè)驗(yàn)證，使得通過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的材料數(shù)據(jù)庫(kù)不斷地?cái)U(kuò)充

11、和更新，同時(shí)，用戶本身也可以自行更新和擴(kuò)展材料數(shù)據(jù)。除了基本的材料數(shù)據(jù)庫(kù)外，procast還擁有鋁基、鐵基、鈦基、鎳基和銅基合金系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)庫(kù)使得用戶可以直接輸入化學(xué)成分，從而自動(dòng)產(chǎn)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(xué)參數(shù)。銅部件的低壓模鑄造 船用發(fā)動(dòng)機(jī)本體的沙模鑄造procast提供了能夠預(yù)測(cè)評(píng)估整個(gè)鑄造過(guò)程的完整軟件解決方案，包括模型填注，凝固，微觀構(gòu)造和熱力的模擬。能夠快速可視化鑄型設(shè)計(jì)的影響，使得制造過(guò)程的早期能夠做出正確的決策。特點(diǎn)和規(guī)格procast是完整的模塊軟件解決方案提供眾多的模塊和工程工具來(lái)滿足鑄造業(yè)最復(fù)雜的要求。在過(guò)程的每個(gè)

12、階段選擇每個(gè)特定模塊： 模填充的流體求解器包括半固體材料，消失模和離心鑄造 用于凝固和收縮預(yù)測(cè)的熱求解器包括輻射選項(xiàng) 應(yīng)力求解器包括熱應(yīng)力和變形而且，還可以選擇一些專(zhuān)門(mén)和高級(jí)金屬選項(xiàng)來(lái)預(yù)測(cè)： 氣體和微孔 鐵合金的微觀構(gòu)造 顆粒結(jié)構(gòu)形式procast共有九個(gè)模塊，下面分別闡述相應(yīng)的功能。模塊功能示意圖網(wǎng)格劃分與工具meshcast，procast的cad界面和網(wǎng)格生成器，將設(shè)計(jì)和工程階段高效聯(lián)系在一起。能夠快速準(zhǔn)備創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)保證快速和可靠的計(jì)算。主要特點(diǎn) 自動(dòng)生成三維網(wǎng)格 cad/cae幾何通過(guò)step, iges, 或parasolid格式導(dǎo)入 直接有限元網(wǎng)格導(dǎo)入 非?？焖俚木W(wǎng)格生成

13、 良好的網(wǎng)格質(zhì)量和質(zhì)量檢查 處理復(fù)雜幾何模型和多種材料 對(duì)邊和表面可變的網(wǎng)格密度 確保流體流動(dòng)分析的網(wǎng)格 熔模鑄造的自動(dòng)shell生成 網(wǎng)格布爾運(yùn)算和網(wǎng)格裝配模壓鑄造鋁合金與模具的傳熱系數(shù)通過(guò)反向模擬確定發(fā)動(dòng)機(jī)體的有限元網(wǎng)格 使用網(wǎng)格布爾運(yùn)算連接不同的組件 使用網(wǎng)格裝配功能合并部件網(wǎng)格并且自動(dòng)生成新的特征線反向模擬procast的反向模擬能夠通過(guò)減小給定位置和時(shí)間上計(jì)算與測(cè)量溫度的差異確定材料屬性或邊界條件主要特點(diǎn) 確定時(shí)間和溫度相關(guān)的界面系數(shù) 確定時(shí)間和溫度相關(guān)的邊界條件 確定時(shí)間和溫度相關(guān)的材料屬性流體求解器procast提供了一個(gè)非常突出的流體流動(dòng)功能來(lái)模擬填模，求解全三維n-s方程并耦

14、合能量方程。自由表面正面跟蹤方法利用體積流體方法（vof）?？梢栽谡麄€(gè)凝固過(guò)程模擬自然對(duì)流和收縮導(dǎo)致的流動(dòng)。主要特點(diǎn) 求解器全三維n-s流體流動(dòng)方程 斜澆注的旋轉(zhuǎn)軸 用于模擬夾氣和通風(fēng)的氣體建模 半固體材料的非牛頓流體流動(dòng)模型 過(guò)濾器模型 湍流模擬 可壓流體模型 消失模模型 粒子跟蹤 斜澆注應(yīng)用 熔模鑄造熱求解器熱求解器通過(guò)考慮傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射能夠計(jì)算傳熱。通過(guò)焓的形式來(lái)描述凝固和固相轉(zhuǎn)變中的潛熱。主要特點(diǎn) 瞬態(tài)，非線性三維熱傳導(dǎo) 熱對(duì)流和輻射 利用焓的形式考慮相變 孔隙預(yù)測(cè) 拉模鑄造和金屬型鑄造 砂模鑄造的虛擬澆注 大型鋼部件管件收縮預(yù)測(cè) 大型鋼部件鑄造的熱應(yīng)力應(yīng)力求解器procast的先進(jìn)

15、應(yīng)力求解器能夠進(jìn)行彈性塑性或彈性粘塑材料特性全耦合熱、流體和應(yīng)力模擬。更簡(jiǎn)單的材料模型諸如彈性，vacant或剛體也能考慮。主要特點(diǎn) 非線性應(yīng)力分析 自動(dòng)接觸分配和評(píng)估（熱和力） 氣隙 無(wú)限的模型規(guī)模 溫度相關(guān)的機(jī)械性能輻射輻射模塊擴(kuò)展了熱求解器輻射的功能包括角系數(shù)的影響。這個(gè)模塊對(duì)熔模鑄造過(guò)程是必需的，從shell的一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的自輻射影響是非常顯著的。主要特點(diǎn) 包括自輻射影響的準(zhǔn)確熱分析結(jié)果 對(duì)單晶鑄造自動(dòng)輻射角系數(shù)更新 包括殼型預(yù)熱的整個(gè)過(guò)程模擬 快速角系數(shù)計(jì)算算法 在meshcast中生成殼有殼層選項(xiàng)氣體與微透氣性能大多數(shù)模擬方案限定孔隙的預(yù)測(cè)為基于夾雜液體金屬演變的宏觀孔隙。

16、這種簡(jiǎn)化方法沒(méi)有考慮氣體和局部收縮起點(diǎn)的顯微孔隙度。procast提供了基于顯微孔隙度模擬的方法解決這種物理問(wèn)題。主要特點(diǎn) 顯微孔隙度預(yù)測(cè)與宏觀孔隙和管縮耦合 馬許區(qū)(mushy zone)的壓降 氣體分離 氣體溶解度作為溫度和金屬單元的函數(shù) 成核和氣孔的生長(zhǎng)鋁高壓鑄造部件第三級(jí)活塞壓力對(duì)氫氣孔的影響。受限活塞壓縮（上）和高活塞壓縮（下）顯示了氣孔的減少顯微構(gòu)造procast顯微模擬模塊進(jìn)行鑄造過(guò)程中任意位置熱歷程連同成核和顯微結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)耦合模擬。主要特點(diǎn)可用的確定性模型： 等軸枝晶(das) （equiaxed dendritic (das)） 耦合共晶（coupled eutectic） 球

17、墨鑄鐵共晶(sgi)（ductile iron eutectic (sgi)） 灰口/白口鐵共晶（gray/white iron eutectic）鋁鑄造溫度分布及鋼模具中的應(yīng)力分布 球墨鑄鐵共析（ductile iron eutectoid） 灰口鐵共析（gray iron eutectoid） 包晶轉(zhuǎn)變（peritectic transformation） scheil模型（scheil model） 鐵/碳固態(tài)轉(zhuǎn)變（iron/carbon solid state transformation）顆粒結(jié)構(gòu)模擬顆粒結(jié)構(gòu)模塊基于隨機(jī)方法（細(xì)胞自動(dòng)機(jī)（cellular automation）和有限

18、元（caf模型）的耦合，能夠預(yù)測(cè)顆粒結(jié)構(gòu)的凝固。主要特點(diǎn) 預(yù)測(cè)柱狀和等軸枝晶顆粒結(jié)構(gòu) 柱狀到等軸的轉(zhuǎn)變 柱狀結(jié)晶區(qū)顆粒選擇 對(duì)單晶部件預(yù)測(cè)雜散晶體 晶體結(jié)構(gòu)的演變 立體信息 顆粒結(jié)構(gòu)直接可視化 燃?xì)鉁u輪葉片定向結(jié)晶的顆粒結(jié)構(gòu)和顆粒christallographic orientation結(jié)果顯示在完美的控制條件下，通過(guò)鑄造獲得單晶。球墨鑄鐵部件砂型鑄造的珠光體分布precast前處理器可以通過(guò)procast圖形用戶界面來(lái)定義各種邊界條件。這些豐富的功能能夠準(zhǔn)確模擬院有鑄造情況。院選需要施加邊界條件的幾何區(qū)域可以通過(guò)點(diǎn)擊和自動(dòng)選擇延伸執(zhí)行。用戶定義的數(shù)據(jù)可以是不變的，也可以隨時(shí)間或溫度變化。模型

19、邊界條件定義到開(kāi)始計(jì)算工作流程是簡(jiǎn)化和直截了當(dāng)?shù)牟牧蠑?shù)據(jù)庫(kù)的版面和屬性圖示 visualcast專(zhuān)用后處理器visualcast后處理器是相當(dāng)強(qiáng)大而多樣的。全新的圖形用戶界面，多窗口、頁(yè)面操作方式，支持腳本化操作。visualcast后處理器提供了下列演變的即時(shí)過(guò)程信息： 金屬前端發(fā)展（metal front progression） 內(nèi)部氣泡（air entrapments） 溫度場(chǎng) 壓力云圖 凝固數(shù)據(jù)（solidification data） 速度矢量 應(yīng)力和變形 微結(jié)構(gòu)值 粒子軌跡顯示visualcast提供很多功能來(lái)報(bào)告及顯示過(guò)程結(jié)果，包括： 云圖 矢量圖 截面及切平面 x-y曲線圖

20、動(dòng)畫(huà)，圖形及影片輸出能夠輕松直接交換信息和通信，結(jié)果還可以用變化的標(biāo)準(zhǔn)格式輸出到其他cae解決方案中。 高壓壓力鑄造應(yīng)用的溫度云圖 熱循環(huán)模擬中的溫度變化 低壓鑄造 高壓鑄造粒子軌跡示蹤 金屬前端發(fā)展凝固模擬 部件變形金屬?lài)@一個(gè)核的前端發(fā)展 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體變形高壓鑄造中金屬和空氣的可視化結(jié)果 鋁合金輪轂氣隙預(yù)測(cè)硬件平臺(tái)procast已經(jīng)過(guò)下列硬件平臺(tái)的測(cè)試和驗(yàn)證平臺(tái)處理器操作系統(tǒng)圖形選項(xiàng)pc intel 32 bits windows nt windows 2000window xp3d card openglhp pa-risc 2.0 hp-ux 11.11 3d card x11openg

21、l sgimips 4 irix64 6.5 3d card x11 opengl sunultrasparc ii & iiisunos 5.73d card x11 opengl ibm power 3 & 4aix 4.3.3 aix 5.13d card x11 opengl compaqalpha ev6osf1 - 5.13d card x11 opengllinux*intel / amd 32 bits redhat 7.3 3d card xfree86 4.2 opengl6 procast軟件效果預(yù)評(píng)考題是鈦合金鑄件，xx室在生產(chǎn)過(guò)程中需要了解該鑄件在現(xiàn)有工藝下可能出現(xiàn)缺

22、陷的位置及缺陷形成原因。根據(jù)工藝室提供的鑄件圖紙及工藝條件，采用esi的procast2005仿真分析軟件對(duì)該鑄件鑄造過(guò)程進(jìn)行了模擬及分析。模擬過(guò)程共分為以下幾個(gè)步驟：三維模型建立；網(wǎng)格劃分；工藝條件與計(jì)算參數(shù)；數(shù)值計(jì)算；結(jié)果顯示；分析及建議。6.1 三維模型建立三維圖形見(jiàn)圖2院示，造型采用功能強(qiáng)大的ug nx3.0。圖2. 鑄件三維實(shí)體該零件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一次澆鑄8個(gè)鑄件，采用對(duì)稱(chēng)排列，帶工藝的鑄件形式如圖3。由于整個(gè)模型是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且各種工藝條件也對(duì)稱(chēng)設(shè)置，因此數(shù)值模擬時(shí)可以?xún)H計(jì)算1/4結(jié)構(gòu)。圖3. 閥體工藝三維模型完整的計(jì)算模型見(jiàn)圖4。6.2 網(wǎng)格劃分將三維實(shí)體輸出，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃

23、分，劃分結(jié)果見(jiàn)圖5?？偣?jié)點(diǎn)數(shù)為387,481，其中鑄件節(jié)點(diǎn)151,073，總單元數(shù)1,866,792。圖4. 完整三維計(jì)算模型圖5. 網(wǎng)格劃分結(jié)果6.3 工藝條件與計(jì)算參數(shù)整個(gè)澆注、凝固過(guò)程在真空環(huán)境下完成，真空度小于0.5pa。預(yù)計(jì)澆注時(shí)間2.5s， 澆注溫度約1720c。一次澆注8個(gè)鑄件，采用兩級(jí)澆道系統(tǒng)。1邊界條件包括澆口溫度、流量、鑄型外表面、鑄件鑄型間界面以及1/4模型的對(duì)稱(chēng)面。澆口溫度1720c，速度1.289m/s1/4模型的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)面鑄型外面壁面溫度20c鑄件/鑄型界面換熱系數(shù)1000w/m2k圖6. 邊界條件設(shè)定3初始條件實(shí)際工藝中，鑄型可能進(jìn)行了加熱處理，初始條件設(shè)為鑄件材

24、料1720c，鑄型材料100c。6.4 數(shù)值計(jì)算鑄造過(guò)程模擬是一個(gè)瞬態(tài)問(wèn)題，隨著時(shí)間的推進(jìn)計(jì)算流動(dòng)形態(tài)及凝固順序。使用配置為p4 3.4g/mem 2g的機(jī)器進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算中可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解充型及凝固進(jìn)度，并可圖形化顯示已計(jì)算結(jié)果。6.5 結(jié)果顯示1充型過(guò)程溫度場(chǎng)閥體鑄件充型過(guò)程是一個(gè)隨時(shí)間變化的瞬態(tài)過(guò)程，充型共2.5s完成。計(jì)算院得結(jié)果見(jiàn)圖7院示。為清楚起見(jiàn)，我們?nèi)☆伾珮?biāo)尺為15001720。t=0.40st=0.64st=0.90st=1.10st=1.32st=1.61st=1.79st=1.93s圖7. 充型過(guò)程2凝固過(guò)程溫度場(chǎng)閥體鑄件凝固過(guò)程的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。t=1.9st

25、=5.1st=11.06st=27.18st=41.18st=59.18st=79.18st=109.18s圖8. 凝固降溫過(guò)程3固相率分?jǐn)?shù)為了更加清楚地觀察閥體鑄件的凝固過(guò)程，我們同樣取上述時(shí)刻下，固相分?jǐn)?shù)小于0.5的部分顯示如圖9。t=1.9st=5.1st=11.06st=27.18s圖9. 固相率變化過(guò)程4縮孔縮松位置鈦合金閥體在凝固過(guò)程中收縮非常劇烈。根據(jù)以上結(jié)果，可以計(jì)算出縮孔縮松的趨勢(shì)，顯示如圖10。圖中顏色標(biāo)尺表示收縮趨勢(shì)或可能性，1為完全收縮成空腔，大于0.01可認(rèn)為形成或可能形成縮松縮孔。圖10. 凝固終了時(shí)縮孔縮松趨勢(shì)圖中可以看出，由于鈦合金凝固收縮劇烈，在一級(jí)直澆道與橫

26、澆道內(nèi)收縮形成很大空腔（）。隨著凝固的進(jìn)行，在鑄件的厚大部位也容易形成收縮缺陷。在兩側(cè)的圓法蘭圓周方向均可能出現(xiàn)縮孔，而在法蘭頂部收縮最劇烈（）。在底部方法蘭周向，同樣可能出現(xiàn)縮孔（）。在閥體中部?jī)蓚?cè)管道連接處的圓臺(tái)內(nèi)部，由于壁厚較大，也可能出現(xiàn)縮孔（）。5凝固時(shí)間凝固時(shí)間同樣是判斷零件收縮缺陷的一種方式。一般說(shuō)來(lái)，對(duì)收縮傾向比較大的鑄件，后凝固的部位如果沒(méi)有合適的補(bǔ)縮方式，則極易引起收縮缺陷。閥體凝固時(shí)間見(jiàn)圖11。 圖11. 鑄件凝固時(shí)間云圖（僅顯示超過(guò)5s部分）凝固時(shí)間結(jié)果與縮孔判據(jù)結(jié)果基本一致，在圓、方法蘭等厚大部位凝固時(shí)間更晚，容易出現(xiàn)收縮缺陷；澆道內(nèi)部凝固更慢，會(huì)收縮成空洞。6.6

27、分析及建議1模擬結(jié)果小結(jié)通過(guò)對(duì)鈦合金閥體鑄件的模擬仿真過(guò)程，可以輔助工藝設(shè)計(jì)工程師分析現(xiàn)有工藝條件，并根據(jù)結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)條件及參數(shù)。從模擬結(jié)果可以看出主要的缺陷為收縮產(chǎn)生的縮孔。根據(jù)隨時(shí)間變化的結(jié)果，可以看到，在中部閥體壁面的薄壁區(qū)溫度下降最快，最先開(kāi)始凝固，法蘭及澆道起到冒口的作用可以適當(dāng)補(bǔ)縮，因此該區(qū)域的收縮缺陷基本是局部小量的。三個(gè)法蘭由于壁厚，熱量集中，因此凝固最晚。在這些厚大位置，包括圓法蘭端面內(nèi)部沿圓周方向（頂部可能性更大）、方法蘭端面（四個(gè)角部可能性更大），出現(xiàn)縮孔的趨勢(shì)比較顯著。此外，閥體兩側(cè)管道在中部交匯，連接兩個(gè)管道的圓臺(tái)內(nèi)部也容易出現(xiàn)縮孔。2模擬仿真過(guò)程優(yōu)化方案閥體鑄件數(shù)值

28、模擬是以目前工藝人員對(duì)實(shí)際工藝條件的估算為基礎(chǔ)進(jìn)行的，部分關(guān)鍵參數(shù)在實(shí)踐中難以精確測(cè)得或控制，這些參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響比較大。為了使數(shù)值仿真工具成為工程技術(shù)人員有力的輔助設(shè)計(jì)工具，在日后的模擬仿真過(guò)程中可酌情采取改進(jìn)措施，包括：（1）盡量準(zhǔn)確地估計(jì)澆注溫度及澆注時(shí)間，同時(shí)采用procast的反算模塊（inverse module）與部分實(shí)測(cè)溫度結(jié)果結(jié)合，反推出更精確的澆注溫度變化過(guò)程；（2）由于材料的熱物性參數(shù)多與溫度變化相關(guān)，因此采用變熱物性參數(shù)可使得模擬計(jì)算更加準(zhǔn)確。包括鑄件鈦合金材料、鑄型石磨材料等。（3）鑄件與鑄型界面的接觸熱阻是凝固計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)界面換熱現(xiàn)象目前還處于研究階

29、段，沒(méi)有一個(gè)清楚準(zhǔn)確的普適模型。在確定了工藝條件的基礎(chǔ)上，采用反算模塊（inverse module），根據(jù)實(shí)測(cè)溫度曲線與計(jì)算溫度曲線對(duì)比，同樣可以較為準(zhǔn)確地得到鑄件/鑄型間的換熱系數(shù)。3工藝過(guò)程改進(jìn)建議以現(xiàn)有模擬分析結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)鑄造工藝得出一些改進(jìn)意見(jiàn)：（1）在圓法蘭的頂部，考慮采用一定形式的冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。在法蘭端面添加冒口，可使該部位的收縮缺陷得到一定程度緩解。缺點(diǎn)是由于鈦合金比較昂貴，冒口容易造成材料浪費(fèi)。（2）在法蘭等厚大部位，考慮添加加快冷卻的工藝。如在鑄型中貼近法蘭的部位增加冷鐵，并與石墨一起成型。該方法操作比較麻煩，且由于石墨本身導(dǎo)熱效果較好，冷鐵會(huì)起到一定作用，但并不一定非常

30、明顯。（3）考慮增加圓法蘭與橫澆道接觸形式，使得該橫澆道凝固緩慢，對(duì)圓法蘭頂部起到補(bǔ)縮作用。xx室的工藝人員對(duì)模擬結(jié)果比較滿意，認(rèn)為與實(shí)際非常接近，對(duì)于院得出的建議認(rèn)為比較中肯，整個(gè)模擬結(jié)果對(duì)該項(xiàng)目的進(jìn)展起了很大的推動(dòng)作用。7 procast軟件在我院使用構(gòu)想7.1 鑄造模擬解決方案使用部門(mén)網(wǎng)格剖分工藝參數(shù)設(shè)定檢查，求解應(yīng)用cad三維實(shí)體造型xx室生產(chǎn)鑄鋼廠工藝室 根據(jù)我院需要解決的鑄造問(wèn)題及其對(duì)于全面解決鑄造問(wèn)題的整體規(guī)劃出發(fā)，由我院鑄造生產(chǎn)及模擬解決流程簡(jiǎn)圖可以看出，需要xx室和鑄鋼廠工作人員加入到鑄造模擬流程中來(lái)。圖1鑄造生產(chǎn)及模擬解決流程簡(jiǎn)圖鑄造模擬解決方案硬件需求(1)license

31、服務(wù)器主要作用是管理鑄造解決方案中院有軟件的license文件，為院有的臺(tái)式機(jī)和計(jì)算工作站提供license授權(quán)服務(wù)。(2)計(jì)算工作站主要作用是進(jìn)行計(jì)算求解。在實(shí)際使用過(guò)程中，當(dāng)需要計(jì)算的模型的計(jì)算量不大時(shí)，可以直接在本機(jī)臺(tái)式機(jī)上計(jì)算求解；當(dāng)需要計(jì)算的模型計(jì)算量很大時(shí)，需要把計(jì)算文件提交到專(zhuān)門(mén)的計(jì)算工作站上進(jìn)行計(jì)算求解，使用過(guò)程 是在本機(jī)工作站遠(yuǎn)程登陸控制計(jì)算工作站，然后利用計(jì)算工作站進(jìn)行需要的計(jì)算，計(jì)算完成后把計(jì)算結(jié)果取回來(lái)進(jìn)行本地后處理和生成計(jì)算報(bào)告。網(wǎng)絡(luò)中心（1臺(tái)license服務(wù)器）xx室（1臺(tái)計(jì)算工作站）鑄鋼廠（1臺(tái)計(jì)算工作站）機(jī)器用途cpu類(lèi)型內(nèi)存硬盤(pán)操作系統(tǒng)具體機(jī)器推薦licen

32、se服務(wù)器(1臺(tái))英特爾奔騰2.8ghz 處理器512m以上40g以上windows xp專(zhuān)業(yè)版dell poweredgetmsc430計(jì)算工作站(1臺(tái)）雙核英特爾至強(qiáng)64位處理器 2.8ghz以上2g以上80g以上windows xp專(zhuān)業(yè)版dell precisiontm6908 procast軟件模塊配置建議1procast 2006模塊編號(hào)模塊名稱(chēng)模塊說(shuō)明單價(jià)（萬(wàn)$）需求 pro-e-11-2006 pre-processor 前處理模塊，主要用于對(duì)三維實(shí)體網(wǎng)格進(jìn)行材料、界面條件參數(shù)、邊界條件參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定基本模塊 pro-e-12-2006 post-processor 后處理模塊，主要用于計(jì)算結(jié)果的顯示與分析 pro-e-13-2006 mesh cast - mesh generator 網(wǎng)格剖分模塊主要用于體網(wǎng)格的生成 geq-e-02-2006 geomesh v5 for procast (cad read and clean + stl) 幾何處理模塊第五版，主要用于cad文件和stl文件的讀取和清除 pro-s-