鑄造工藝仿真設(shè)計前處理及過程處理應(yīng)用技術(shù)

房文亮，王仲玨，高 洪，楊光耀

鑄造工藝仿真設(shè)計前處理及過程處理應(yīng)用技術(shù)

房文亮，王仲玨?，高 洪，楊光耀

（安徽工程大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000）

以應(yīng)用ProCAST和MAGMAsoft 2款軟件為例，針對鑄造工藝仿真設(shè)計前處理和過程處理每個環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容與使用方法進行了較為詳細地歸納、分析和總結(jié).提出了處理過程的技術(shù)路線，并系統(tǒng)地介紹了每項應(yīng)用內(nèi)容的操作平臺與使用步驟，從而為高效地應(yīng)用鑄造工藝仿真設(shè)計提供理論和技術(shù)支持.

鑄造工藝仿真設(shè)計；前處理；過程處理；應(yīng)用技術(shù)

當前世界主流的鑄造仿真軟件包括國外（ProCAST、MAGMAsoft、Anycasting、Flow-3D、Solid-CAST、Ansys、Novacast）及國內(nèi)（華鑄CAE、華星）9款軟件［1-2］.雖然它們都是進行鑄造仿真計算的工具，但其設(shè)計思路和方法并不相同.課題組對這9款軟件進行了較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和研究，分析了各自特點，并對其共性的內(nèi)容進行了歸納和總結(jié).為更好地應(yīng)用鑄造工藝仿真設(shè)計，主要以ProCAST和MAGMAsoft 2款軟件為例，在介紹了鑄造工藝仿真設(shè)計的前處理及過程處理基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了其每個環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容和使用方法，以及處理過程中每項應(yīng)用內(nèi)容的操作平臺與使用步驟，可為鑄造工藝仿真設(shè)計的學(xué)習(xí)者提供一些參考.

1　前處理

鑄造工藝仿真設(shè)計的前處理是進行鑄造仿真模擬的前提和重要保障，它不僅決定了后續(xù)模擬的精確性，而且還影響模擬速度的快慢.其中，前處理主要包括幾何建模和網(wǎng)格劃分.

1.1幾何建模

幾何建模有2種方法：①利用鑄造仿真軟件自帶的建模功能建模；②通過其他的三維制圖軟件（如UG、Pro/E、Solidwork等）建模后導(dǎo)出為鑄造仿真軟件可接受的實體格式（如STL、PARASOLIDS、IGS、STEP等）再導(dǎo)入到仿真軟件中.除Ansys具有較強的建模功能外，其他大多數(shù)鑄造仿真軟件的建模功能都較弱或者沒有此功能，主要采用后一種方法.UG在三維實體造型方面表現(xiàn)突出，能夠?qū)Ω鞣N結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維實體進行細致、準確地繪制，推薦使用.在導(dǎo)出時有些鑄造仿真軟件需要將鑄件和澆冒口系統(tǒng)求和后一起導(dǎo)出（如ProCAST、Ansys、Novacast等），另一些則需分開導(dǎo)出（如MAGMAsoft、Anycasting、Flow-3D、SolidCAST、華鑄CAE、清華鑄造之星等）.

1.2網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的好壞直接影響后續(xù)模擬分析的速度和精度［3］.在網(wǎng)格劃分中要綜合考慮各種因素，主要包括網(wǎng)格形狀和大小的選擇.網(wǎng)格形狀主要分為2種：三角形和四邊形.三角形單元劃分靈活，可適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，精度高，如發(fā)動機缸體、汽車輪轂等；四邊形單元則要求鑄件結(jié)構(gòu)比較規(guī)則.網(wǎng)格的大小決定了網(wǎng)格的數(shù)量和密度，對于同一鑄件的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格越小，網(wǎng)格數(shù)量和密度越大，精度越高，但模擬速度慢.確定網(wǎng)格大小的基本原則是零件的最薄壁厚要大于網(wǎng)格的單元長度.活塞尾的網(wǎng)格劃分實例如圖1所示.該產(chǎn)品長2.834 65 in，高1.306 97 in，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度適中，拐角處較多，故選擇三角形網(wǎng)格.產(chǎn)品最薄壁厚為0.078 74 in，網(wǎng)格的單元長度設(shè)為0.05 in.以ProCAST軟件為例，對鑄件活塞尾進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為136 737，節(jié)點數(shù)為26 266.可以看出，網(wǎng)格質(zhì)量良好，沒有壞面.

網(wǎng)格劃分原理主要為有限元法和有限差分法.有限元法能夠針對復(fù)雜鑄件的曲面和結(jié)構(gòu)單元較多、拐角處結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點對其進行細致的網(wǎng)格劃分，精度高，但計算量大，硬件配置要求高，網(wǎng)格形狀一般采用三角形.ProCAST是基于有限元法的鑄造仿真軟件，其主要提供了3種接口方式實現(xiàn)與其他前處理軟件的連接［4］：

①其他前處理軟件建模后把模型導(dǎo)入MeshCAST，用MeshCAST劃分網(wǎng)格；

②其他前處理軟件建模并劃分面網(wǎng)格后再導(dǎo)入MeshCAST中；

③其他前處理軟件建模并劃分體網(wǎng)格后導(dǎo)入ProCAST中，并進行后續(xù)工作.

針對這3種接口方式可以導(dǎo)入的文件類型分別為：

①STL、IGES、PARASOLIDS、STEP、Binary STL、Re-start；

②PATRAN Surface Mesh、I-DEAS Surface Mesh；

③PATRAN Volume Mesh、I-DEAS Volume Mesh.

用于ProCAST的前處理軟件有Hypemesh、Pro/E和Geomesh等［5-7］，經(jīng)試驗比較發(fā)現(xiàn)：

①Hyper Mesh的網(wǎng)格劃分功能強大，可對導(dǎo)入的模型進行細致的網(wǎng)格劃分，導(dǎo)出的面網(wǎng)格文件與MeshCAST的兼容性好，錯誤少，推薦使用；

②Pro/E可建模并劃分面網(wǎng)格后導(dǎo)入到MeshCAST中劃分體網(wǎng)格，但網(wǎng)格劃分模塊受到軟件本身的限制，功能較弱，比較適用于習(xí)慣于使用Pro/E的工作者；

③Geomesh可對導(dǎo)入的模型進行面網(wǎng)格的劃分，但要求模型的錯誤較少，適合結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的模型.

其他大多數(shù)鑄造仿真軟件則基于有限差分法.該方法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、算法簡潔，因此，網(wǎng)格劃分簡單、速度快，硬件配置要求低，得到廣泛應(yīng)用.但精度較低，適合結(jié)構(gòu)簡單的鑄件.網(wǎng)格形狀一般采用四邊形.

2　過程處理

經(jīng)前處理后，針對具體鑄件的鑄造方法、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄件材質(zhì)，需制定出合理的工藝方案技術(shù)路線，具體為：鑄件缺陷分析與預(yù)測→確定仿真內(nèi)容→選擇仿真軟件→仿真計算和結(jié)果分析→工藝方案改進和優(yōu)化→合格（優(yōu)化）工藝→制定技術(shù)和生產(chǎn)管理文件→指導(dǎo)生產(chǎn)實踐.依據(jù)技術(shù)路線進行鑄造工藝仿真設(shè)計的過程處理，該處理過程是模擬運算的核心，直接決定了仿真的真實性和可靠性.其中，過程處理主要包括材料數(shù)據(jù)的獲取、存儲、調(diào)用以及參數(shù)設(shè)置等.

2.1獲取材料數(shù)據(jù)的方法

材料數(shù)據(jù)的獲取方法主要有計算法、試驗法、反求法和攝取法，較常用的為計算法和試驗法.

（1）計算法.計算法是指通過軟件自帶的材料性能計算功能來進行材料各種性能參數(shù)的計算和添加的方法.ProCAST針對不同的材料特性，提供了3種計算模型：Scheil model、Lever rule、Back Diffusion.了解不同材料的特性后，可進行材料數(shù)據(jù)的錄入和計算.具體方法為：打開ProCAST軟件的材料性能計算模塊，找到“Material”菜單下的“Assign”并打開，可看到材料數(shù)據(jù)的列表，選擇“Add”，將已知材料的化學(xué)成分輸入到“Composition”子菜單中，選擇計算模型“Apply”后，點擊“Store”，ProCAST通過內(nèi)部的計算模塊計算出該種材料的熱、流動等物性參數(shù).以HT150為例，HT150的化學(xué)成分如表1所示.計算后的導(dǎo)熱率和比熱參數(shù)曲線圖如圖2、圖3所示.

表1　HT150化學(xué)成分

（2）試驗法.試驗法是指通過數(shù)學(xué)計算和實測來獲取材料相關(guān)參數(shù)的方法.對于新開發(fā)的材料、非標準鋼號以及已知材料的部分性能參數(shù)，常需要設(shè)計試驗方案進行計算和實測，獲取材料的相關(guān)參數(shù)，以便存儲到鑄造仿真軟件中.該方法簡單、原始，不再舉例說明.獲取相關(guān)參數(shù)的方法與步驟：

①化學(xué)成分：金屬材料常采用光譜分析；

②力學(xué)性能參數(shù)：新開發(fā)材料的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量和泊松比，可以采用電測法和引伸計法測定等；

③熱物性參數(shù)：直接測量法.非穩(wěn)態(tài)線性法測定熱導(dǎo)率，激光脈沖法測定熱擴散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等；間接測量法.射線衍射法測試高溫液態(tài)金屬密度，比較法測定熱容，根據(jù)計算公式λ=ρCpa測定導(dǎo)熱系數(shù)［8］等；

④鑄造工藝參數(shù)：金屬的冶煉溫度、出爐溫度、澆注溫度、澆注時間和模具預(yù)熱溫度等參數(shù)可根據(jù)相關(guān)鑄造原理計算并通過生產(chǎn)實際進行實測.

（3）反求法.反求法是相對于正向求解來說的，即通過等號右邊的已知量來反推等號左邊的未知量.反求法可以利用實際的測試溫度數(shù)據(jù)來確定邊界條件和材料的熱物理性能，最大限度地提高模擬結(jié)果的可靠性，如界面換熱系數(shù).通過閱讀相關(guān)文獻和技術(shù)資料［9］，簡述反求法的操作步驟：

①選取鑄件的若干個節(jié)點進行凝固過程的溫度數(shù)據(jù)采集，并全部記錄原始數(shù)據(jù)；

②按照正常的模擬步驟設(shè)置PreCAST里的參數(shù)，選擇“Inverse”菜單下的“Boundary Condtions”，勾選“Activate”，選擇計算對象；

③在“Inverse Setting”里輸入所測得溫度點的節(jié)點編號，設(shè)置相關(guān)計算參數(shù)；

④按照prefix.tt文件的格式編輯實測溫度場獲得溫度-時間數(shù)據(jù)，并保存為prefixim.dat文件；

⑤返回主界面，點擊ProCAST菜單下的“Inverse”，啟動逆運算.

（4）攝取法.攝取法是指通過其他數(shù)據(jù)庫軟件與鑄造仿真軟件之間建立數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)庫軟件內(nèi)的材料數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到鑄造仿真軟件中，補充和完善數(shù)據(jù)庫.一些研究人員已開發(fā)了多款可服務(wù)于Pro-CAST的材料數(shù)據(jù)庫軟件，如JMat Pro軟件和吳翠姑等人開發(fā)的“鑄造材料數(shù)據(jù)庫”軟件［10］.以JMat Pro為例：

①點擊“export”，選擇“all to Procast format”，導(dǎo)出ProCAST格式熱物理參數(shù)，如圖4所示.修改材料名稱為“AA2024”并保存；

②打開JMatPro軟件安裝目錄里的ProCAST文件夾，找到導(dǎo)出的數(shù)據(jù)文件MATL.DB，并用記事本打開，復(fù)制全部數(shù)據(jù)粘貼到Program FilesESI GroupProCAST2008.0datdb里的MATL.DB文件里，保存并退出，打開ProCAST的材料數(shù)據(jù)模塊可看到導(dǎo)入的AA2024材料，如圖5所示.

2.2存儲和調(diào)用材料數(shù)據(jù)

（1）存儲材料數(shù)據(jù).存儲材料數(shù)據(jù)是指將獲得的材料相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到鑄造仿真軟件內(nèi)的方法和過程.針對鑄造仿真軟件的材料數(shù)據(jù)存儲難的問題，MAGMAsoft提供了一個二次開發(fā)平臺，利用其數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可對MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫中沒有的材料數(shù)據(jù)進行添加和存儲，包括Global、User和Project 3個模塊，現(xiàn)有文獻已闡述地很詳細，不再舉例說明.以User為例簡述其操作步驟：

①選擇數(shù)據(jù)庫（Database）菜單中的“User”模塊；

②在彈出新材料命名窗口中寫入材料名稱，點擊“OK”確認，選擇“Edit”；

③選擇“Edit”菜單下的“General Parameters”選項，在設(shè)定基本參數(shù)的選項中寫入相關(guān)參數(shù)并按回車確認.接著在Edit菜單中選擇“Composition”選項，寫入材料各成分的質(zhì)量分數(shù)；

④打開“Data”菜單，點擊“save”進行保存.

（2）調(diào)用材料數(shù)據(jù).調(diào)用材料數(shù)據(jù)是指將其他標準的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合某款鑄造仿真軟件的標準數(shù)據(jù)并為其所用的方法和過程.大多數(shù)鑄造仿真軟件由于是不同國家研發(fā)的，因此數(shù)據(jù)標準也不相同，如MAGMAsoft采用的是德國標準.如何將其他途徑獲得的不同標準數(shù)據(jù)在仿真軟件中調(diào)用是一個難點，本文將闡述MAGMAsoft不同標準數(shù)據(jù)的調(diào)用方法和步驟，簡單易懂，讀者可依此方法操作，不再舉例說明：

①將國內(nèi)或國際標準和德國標準對照，若在德國標準鋼號表中能夠找到該材料，則在MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫中找到該材料并使用；

②針對MAGMAsoft中沒有的標準材料，可查詢其他鑄造CAE軟件材料庫、專門的材料數(shù)據(jù)庫軟件或相關(guān)標準手冊中的材料數(shù)據(jù)，在MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫中新建該材料，將其相關(guān)參數(shù)輸入到材料數(shù)據(jù)庫并保存.

2.3參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是指針對具體鑄造工藝方案對鑄造仿真軟件中的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置的方法和過程.參數(shù)設(shè)置是鑄造工藝仿真設(shè)計的一個重要內(nèi)容，由于不同的鑄造仿真軟件開發(fā)的原理、角度和工程模型并不相同，因此參數(shù)設(shè)置內(nèi)容會有所不同.相比于其他鑄造仿真軟件來說，MAGMAsoft的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容最為全面和細致，設(shè)置方法便捷，每設(shè)置完一個參數(shù)才能進入到下一個環(huán)節(jié)，避免了設(shè)置過程中產(chǎn)生遺漏和重復(fù). MAGMAsoft的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容及步驟為：模型、過程計算選擇→材料設(shè)置→傳熱系數(shù)設(shè)置→邊界條件設(shè)置→具體鑄造工藝參數(shù)設(shè)置→充型設(shè)置→凝固設(shè)置→應(yīng)變設(shè)置→計算設(shè)置.其難點在于材料設(shè)置，下面簡述其具體設(shè)置方法：

①打開MAGMAsoft的“Simulition”界面，進入材料設(shè)置界面，如圖6所示；

②選擇需設(shè)置的模型，點擊“select data”，選擇數(shù)據(jù)庫和材料類型，如圖7所示，點擊“ok”，然后點擊“parameters”，根據(jù)需要設(shè)置涂層參數(shù).

模型前面帶“+”符號的表示一個材料組，可點擊“expand”對材料組內(nèi)的單個模型即模型前面帶“-”號的進行材料設(shè)置，操作方法同上.

3　結(jié)論

在鑄造工藝仿真設(shè)計的前處理過程中需重視網(wǎng)格劃分的重要性，在確保網(wǎng)格質(zhì)量良好前提下，盡量減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約模擬運算的時間.對于大多數(shù)鑄造仿真軟件來說，材料數(shù)據(jù)的獲取、存儲以及參數(shù)設(shè)置內(nèi)容和方法基本類似，只是具體操作方法不同，這為鑄造工作者能夠高效地利用鑄造仿真軟件創(chuàng)造了條件.通過對鑄造工藝仿真設(shè)計的前處理及過程處理的主要內(nèi)容和常用方法較為詳細的闡述，為鑄造工藝仿真設(shè)計的初學(xué)者能夠快速掌握這門技術(shù)提供了一定的參與.

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Applied technology on preprocessing and processing of simulation design of casting process

FANG Wen-liang，WANG Zhong-jue?，GAO Hong，YANG Guang-yao
（College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China）

This paper，analyzes and summarizes the main contents and methods of preprocessing and processing technology of simulation design of casting process in every part.It proposes the technological roadmap of the process and the platform and the steps of every application by applying ProCAST and MAGMAsoft in order to provide theoretical and technical support for efficiently applying the simulation design of casting process.

simulation design of casting process；preprocessing；processing；applied technology

TG249

A

1672-2477（2015）02-0055-05

2015-01-20

房文亮（1990-），男，安徽合肥人，碩士研究生.

王仲玨（1952-），男，安徽蕪湖人，教授，碩導(dǎo).