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1、铸造成形工艺过程的数值模拟仿真及其应用王华侨;张颖;费久灿;王德跃【摘 要】本文对国内外常用的几款铸造成形工艺模拟仿真软件的功能进行了简要 介绍,希望对从事铸造行业的产品设计师、模具设计师、铸造工艺师提供一定的参 考借鉴作用,从而为提高企业的铸造工艺水平搭建一个更好的优化设计,以及成形工 艺的数字化工艺优化设计、制造、仿真集成的先进平台.期刊名称】金属加工：热加工年(卷),期】2011(000)005【总页数】6页(P59-64) 【作 者】 王华侨;张颖;费久灿;王德跃【作者单位】 中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100;中国三江航天 集团国营红阳机械厂,湖北孝感,43210
2、0;中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝 感,432100;中国三江航天集团国营红阳机械厂,湖北孝感,432100【正文语种】 中 文铸造仿真模拟优化软件是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的，借助于铸造 仿真模拟优化软件系统平台，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。通过模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、 冷隔、裹气和热节的位置，以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸造过 程中微观组织的变化。图1所示为铸造仿真模拟分析的典型过程。本文对国内外常用的几款铸造成形工艺模
3、拟仿真软件华铸CAE/InteCAST、 AnyCasting、ProCAST等软件的功能与实例应用进行了简要介绍，希望对铸造行 业的产品设计师、模具设计师、铸造工艺师提供一定的参考借鉴作用，从而为提高 企业的铸造工艺水平搭建一个更好的优化设计，以及成形工艺的数字化工艺优化设 计、制造、仿真集成的先进平台。HZCAE/InteCAST是中国铸造领域著名的模拟分析系统，是分析和优化铸件铸造 工艺的重要工具。它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸 造工艺分析。该软件具备冷却凝固过程、流动充型过程、充型换热耦合过程等模拟 功能，可以有效地对铸造过程中的夹渣、卷气、冷隔、浇不足、缩孔
4、和缩松等缺陷 进行预测。数据库材料包括铸钢、球墨铸铁、灰铸铁、铸铝、铸铜、铸镁及铸锌等 各类铸造合金;可针对砂型、金属型、熔模、低压、压力、倾斜铸造及钢锭模铸造 等各种铸造方式进行真实的模拟仿真分析。HZCAE系统的前置处理是模拟过程的准备工作，它实现了 CAD模型的导入，利 用STL预览检查三维造型是否正确，进行有限差分网格的划分。另外，还可以通 过 HZCAE 提供的 CAD 功能对实体造型进行简单修改。三维造型平台用户可任选， 绝大部分三维造型系统（包括 CATIA、PRO/E、UGNX、SOLIDEDGE、 SOLIDWORKS、I-DEAS、AutoCAD、MDT、Inventor、
5、CAXA、金银花等）均能 与本系统顺利接口。系统的自动网格剖分速度快、稳定性好、容错能力强，一般中等复杂程度的铸件， 剖分千万个网格几分钟内即可完成。具备异位网格计算功能，即流动基于一套网格， 凝固基于另一套网格，同时不影响计算精度。全自动非均匀网格剖分，智能化识别 壁厚，薄壁处网格变细，厚大部位自动采用粗大网格，大大提高了系统的分析效率。 系统的全自动序列剖分功能可实现按给定规则，全自动生成一系列网格尺寸不同的 剖分结果，满足模拟的各种需要。图2为HZCAE/InteCAST系统后处理界面及模 拟分析实例。计算分析主要设定合金属性参数，铸件、铸型、砂芯等材料的物性参数，各种材质 间的界面导热
6、系数，用于铸件的充型过程、凝固过程，以及流动与传热的耦合计算， 能够进行低压铸造、压铸、金属型铸造的多周期、多阶段全过程的分析。系统可以 对包括水、油、气等不同冷却介质的各种复杂冷却工艺进行优化分析;能够模拟多 个不同规格的浇包同时浇注的复杂浇注过程;能够模拟补浇工艺、点冒口过程;应用 了重力补缩技术，可以直接准确模拟缩孔、缩松的形成过程，实现了缩孔和缩松的 位置、形状及大小的定量模拟;在微机上实现实用的流场分析、流动与温度耦合计 算，单元数可达数百万个。流动场、耦合场分析技术在国内首屈一指。后处理采用最新可视化技术、多媒体技术，丰富、直观、生动，任意实时缩放、旋 转和剖切。可自动生成 X 射
7、线透视图、凝固色温图、温度梯度图、铸件结构图、 铸型系统装配图、流动向量图、填充体积图、压强分布图及充型温度分布图等。颜 色随意调整，画面直接打印;分析结果三维动画自动合成，动画演示直观准确，透 彻明了，动态过程完整细腻;后处理中实时动态、动画显示技术达到国际同类软件 的先进水平。AnyCasting是韩国ANYCASTING公司研发的新一代基于Windows操作平台的 高级铸造模拟软件系统，是专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行 铸造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。AnyCasting日益成为当今 世界上技术先进、包含丰富实际工程经验的铸造模拟分析软件系统。作为Any
8、Casting的前处理程序，AnyPRE可以实现CAD模型的导入，有限差分 网格的划分，模拟条件的设置，并调用AnySOLVER进行求解。使用AnyPRE， 可以进行多种设置包括工艺流程和材料的选择来模拟铸造成形过程，设置边界、热 传导和浇口条件，也能通过特殊功能模块来设置一些设备和模型。另外，还可以通 过AnyPRE提供的CAD功能来查看、移动/旋转实体坐标系统。作为AnyCasting 的求解器，AnySOLVER能够根据设定计算流场和温度场。铸造成形模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和熔体凝固过程的传热 /凝固分析 只有在两个分析都准确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。基于此概念，
9、 AnySOLVER通过分析三维Navier-Stokes方程和VOF方程来进行快速准确的模 拟。为了在铸造成形中模拟出所有的流动现象，AnySOLVER在它的系统中有许多 粘性、紊乱和表面张力模型。为了在凝固过程中发现产生的缺陷，AnySOLVER还 具备缩孔和微观结构预测模块，整个程序操作方便简单易懂。作为AnyCasting的后处理器，AnyPOST通过读取Any-SOLVER中生成的网格 数据和结果文件在屏幕上输出图形结果。使用AnyPOST，可以用二维和三维观察 充型时间、凝固时间、等高线 （温度、压力、速率）和速度向量，也可以用传感器的 计算结果来创建曲线图。这个程序具备动画功能，
10、用户可把计算结果编辑成播放文 件，通过卓越的结果合并功能来观察各种二维或三维的凝固缺陷。另外，相关资料 可以保存成新的文件用于将来的复试。AnyMESH能编辑由AnyPRE生成的网格文件，可以轻松地修改网格信息而不改 变几何模型。作为一个能概括铸造成形中熔体、模具和其他材料性能的数据库管理 程序，AnyDBASE主要分为常规数据库和用户数据库。常规数据库提供了具有国 际标准的常用材料性能，而用户数据库能使用户保存和管理修改或附加的数据。用 户能简单地选择感兴趣的材料而不需输入几百种不同的材料性能。另外，它还提供 每种材料的导热系数，提高了程序的方便性。预测熔体充型和凝固的数值模拟技术包括熔体充
11、型过程分析模块，定常流和非定常 流的流动分析，凝固、流动、流动+凝固分析功能。熔体冷却和凝固模拟功能包括 根据温度和时间考虑材料性能 （热传导性、比热容、粘性等）的变化，根据时间、温 度、压力和铸造过程考虑接触面间的热传导，收缩预测模型（Niyama、进料效率、 剩余熔体模型等），缩孔预测模型，微观组织预测模型，以及力学性能预测等。例如，针对某ADC12铝合金缸盖采用高压铸造成形，压铸后其螺纹孔位置有缩孔 导致产品报废率高的情况，通过使用AnyCasting模拟在不同位置增加线冷管道或 水冷管道后，可以准确预测出缩孔位置的变化，并最终得出最优的水路排布方案， 螺纹孔位置的缩孔问题得到解决。An
12、yCasting分析到的缩孔位置和实际位置相吻 合，图3 为缩孔位置模拟与优化。在整个制造业，铸造过程仿真模拟现已作为一个重要的产品设计和过程开发的工具， 用以提高铸件产量与质量。基于强大有限元求解器和高级选项，ProCAST提供高 效和准确的求解来满足铸造业的需求。与传统的尝试-出错-修改方法相比， ProCAST 是减少制造成本，缩短模具开发时间，以及改善铸造过程质量的重要的、 完美的解决方案。ProCAST提供了整体软件解决方案，能够进行完整的铸造工艺 过程预测评估，包括充型、凝固、微观组织及热力耦合模拟等，使得工艺设计人员 可以很便捷地观察模具设计效果，在制造过程的早期阶段就能进行正确
13、的选择与决 策。图4所示为ProCAST铸造应用的部分实例。ProCAST采用有限元模拟分析技术，对铸造凝固过程进行热-流动-应力完全耦合 的铸造模拟。图5所示为ProCAST可适用的范围包括砂型、消失模、高低压、重 力、倾斜浇注、熔模、壳型、挤压、触变成形及流变成形等多种铸造场合。任何一 种铸造过程都可以用同一软件包ProCASTTM进行分析和优化。它可以用来研究 设计结果，如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，以及冒口的位置和大小等。实践 证明，ProCASTTM可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，还可 以精确地计算冷却或加热通道的位置及加热冒口的使用。ProCAST可以用来模拟
14、任何合金，从钢铁到铝基、钻基、铜基、镁基、镍基、钛 基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。除了基本的材料数据库外，ProCAST 还拥有基本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、比热容和固相率的变 化等热力学参数。该数据库由英国的ThermoTech公司开发。ProCAST主要模块包括网格划分、流动分析、应力分析、传热分析(传导、对流 和辐射)、晶粒结构分析、微观组织分析、高压铸造专业模块，以及反向求解模块 等多个分析模块组成。其热物理材料数据库模块提供仿真所需要的材料物理性数据， 包含了主要的铸造材料和模具数据，
15、用户可直接使用，也可以根据需要在数据库中 加入新的合金材料及其冶金性质。ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发及可重复性等问题，为铸 造工程师提供新的途径来研究铸造过程，使他们有机会看到型腔内所发生的一切， 从而产生新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中显示，这样对比较复杂的铸 造过程能够通过网际网络进行讨论和研究。另外，ProCAST还可以使用X射线的 方式确定缩孔的存在和位置，采用缩孔判据或Niyama判据也可以进行缩孔和缩 松的评估。图6所示为ProCAST对铸造金属液流动的速度场的分布、球墨铸铁铸
16、造后珠光体 的分布，以及冒口补缩不足而导致的内部收缩缺陷的模拟情况。(1) 缩孔 是由于凝固收缩过程中液体不能有效地从浇注系统和冒口得到补缩造成的。ProCAST可以确认封闭液体的位置，使用特殊的判据，如宏观缩孔或Niyama判据来确定缩孔、缩松是否会在这些敏感区域内发生，同时可以计算与缩孔、缩松有 关的补缩长度。在砂铸中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。在压 铸中，ProCAST可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小， 以及溢流口的位置。(2) 裂纹 铸造在凝固过程中容易产生热裂，以及在随后的冷却过程中产生裂纹。利 用热应力分析，Pro-CASTTM可以模拟凝固和冷却过程中产生的裂纹。在实际生 产之前，这些模拟结果可以用来确定和检验为防止缺陷产生而尝试进行的各种设计。(3) 裹气 由于液体充填受阻而产生的气泡和氧化夹杂物会影响铸件的力学性能。充型过程中的紊流可能导致氧化夹杂物的产生，ProCAST能够清楚地指示
