鑄造工藝仿真設計前處理及過程處理應用技術

房文亮，王仲玨，高 洪，楊光耀

鑄造工藝仿真設計前處理及過程處理應用技術

房文亮，王仲玨?，高 洪，楊光耀

（安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖 241000）

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

鑄造工藝仿真設計；前處理；過程處理；應用技術

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（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地學習和研究，分析了各自特點，并對其共性的內容進行了歸納和總結.為更好地應用鑄造工藝仿真設計，主要以ProCAST和MAGMAsoft 2款軟件為例，在介紹了鑄造工藝仿真設計的前處理及過程處理基本內容的基礎上，提出了其每個環(huán)節(jié)的主要內容和使用方法，以及處理過程中每項應用內容的操作平臺與使用步驟，可為鑄造工藝仿真設計的學習者提供一些參考.

1　前處理

鑄造工藝仿真設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）建模后導出為鑄造仿真軟件可接受的實體格式（如STL、PARASOLIDS、IGS、STEP等）再導入到仿真軟件中.除Ansys具有較強的建模功能外，其他大多數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突出，能夠對各種結構復雜的三維實體進行細致、準確地繪制，推薦使用.在導出時有些鑄造仿真軟件需要將鑄件和澆冒口系統求和后一起導出（如ProCAST、Ansys、Novacast等），另一些則需分開導出（如MAGMAsoft、Anycasting、Flow-3D、SolidCAST、華鑄CAE、清華鑄造之星等）.

1.2網格劃分

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

網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雜鑄件的曲面和結構單元較多、拐角處結構復雜等特點對其進行細致的網格劃分，精度高，但計算量大，硬件配置要求高，網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入MeshCAST，用MeshCAST劃分網格；

②其他前處理軟件建模并劃分面網格后再導入MeshCAST中；

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

針對這3種接口方式可以導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］，經試驗比較發(fā)現：

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

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

③Geomesh可對導入的模型進行面網格的劃分，但要求模型的錯誤較少，適合結構不復雜的模型.

其他大多數鑄造仿真軟件則基于有限差分法.該方法數據結構簡單、算法簡潔，因此，網格劃分簡單、速度快，硬件配置要求低，得到廣泛應用.但精度較低，適合結構簡單的鑄件.網格形狀一般采用四邊形.

2　過程處理

經前處理后，針對具體鑄件的鑄造方法、鑄件結構和鑄件材質，需制定出合理的工藝方案技術路線，具體為：鑄件缺陷分析與預測→確定仿真內容→選擇仿真軟件→仿真計算和結果分析→工藝方案改進和優(yōu)化→合格（優(yōu)化）工藝→制定技術和生產管理文件→指導生產實踐.依據技術路線進行鑄造工藝仿真設計的過程處理，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據的獲取、存儲、調用以及參數設置等.

2.1獲取材料數據的方法

材料數據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，可進行材料數據的錄入和計算.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，可看到材料數據的列表，選擇“Add”，將已知材料的化學成分輸入到“Composition”子菜單中，選擇計算模型“Apply”后，點擊“Store”，ProCAST通過內部的計算模塊計算出該種材料的熱、流動等物性參數.以HT150為例，HT150的化學成分如表1所示.計算后的導熱率和比熱參數曲線圖如圖2、圖3所示.

表1　HT150化學成分

（2）試驗法.試驗法是指通過數學計算和實測來獲取材料相關參數的方法.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，常需要設計試驗方案進行計算和實測，獲取材料的相關參數，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.獲取相關參數的方法與步驟：

①化學成分：金屬材料常采用光譜分析；

②力學性能參數：新開發(fā)材料的力學性能參數，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：直接測量法.非穩(wěn)態(tài)線性法測定熱導率，激光脈沖法測定熱擴散系數、比熱容和導熱系數等；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，根據計算公式λ=ρCpa測定導熱系數［8］等；

④鑄造工藝參數：金屬的冶煉溫度、出爐溫度、澆注溫度、澆注時間和模具預熱溫度等參數可根據相關鑄造原理計算并通過生產實際進行實測.

（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據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果的可靠性，如界面換熱系數.通過閱讀相關文獻和技術資料［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據采集，并全部記錄原始數據；

②按照正常的模擬步驟設置PreCAST里的參數，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，設置相關計算參數；

④按照prefix.tt文件的格式編輯實測溫度場獲得溫度-時間數據，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據庫軟件與鑄造仿真軟件之間建立數據接口，將數據庫軟件內的材料數據信息導入到鑄造仿真軟件中，補充和完善數據庫.一些研究人員已開發(fā)了多款可服務于Pro-CAST的材料數據庫軟件，如JMat Pro軟件和吳翠姑等人開發(fā)的“鑄造材料數據庫”軟件［10］.以JMat Pro為例：

①點擊“export”，選擇“all to Procast format”，導出ProCAST格式熱物理參數，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，找到導出的數據文件MATL.DB，并用記事本打開，復制全部數據粘貼到Program FilesESI GroupProCAST2008.0datdb里的MATL.DB文件里，保存并退出，打開ProCAST的材料數據模塊可看到導入的AA2024材料，如圖5所示.

2.2存儲和調用材料數據

（1）存儲材料數據.存儲材料數據是指將獲得的材料相關參數數據存儲到鑄造仿真軟件內的方法和過程.針對鑄造仿真軟件的材料數據存儲難的問題，MAGMAsoft提供了一個二次開發(fā)平臺，利用其數據庫系統可對MAGMAsoft數據庫中沒有的材料數據進行添加和存儲，包括Global、User和Project 3個模塊，現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選擇數據庫（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，在設定基本參數的選項中寫入相關參數并按回車確認.接著在Edit菜單中選擇“Composition”選項，寫入材料各成分的質量分數；

④打開“Data”菜單，點擊“save”進行保存.

（2）調用材料數據.調用材料數據是指將其他標準的數據轉換為適合某款鑄造仿真軟件的標準數據并為其所用的方法和過程.大多數鑄造仿真軟件由于是不同國家研發(fā)的，因此數據標準也不相同，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據在仿真軟件中調用是一個難點，本文將闡述MAGMAsoft不同標準數據的調用方法和步驟，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數據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、專門的材料數據庫軟件或相關標準手冊中的材料數據，在MAGMAsoft數據庫中新建該材料，將其相關參數輸入到材料數據庫并保存.

2.3參數設置

參數設置是指針對具體鑄造工藝方案對鑄造仿真軟件中的相關參數進行設置的方法和過程.參數設置是鑄造工藝仿真設計的一個重要內容，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，因此參數設置內容會有所不同.相比于其他鑄造仿真軟件來說，MAGMAsoft的參數設置內容最為全面和細致，設置方法便捷，每設置完一個參數才能進入到下一個環(huán)節(jié)，避免了設置過程中產生遺漏和重復. MAGMAsoft的參數設置內容及步驟為：模型、過程計算選擇→材料設置→傳熱系數設置→邊界條件設置→具體鑄造工藝參數設置→充型設置→凝固設置→應變設置→計算設置.其難點在于材料設置，下面簡述其具體設置方法：

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

②選擇需設置的模型，點擊“select data”，選擇數據庫和材料類型，如圖7所示，點擊“ok”，然后點擊“parameters”，根據需要設置涂層參數.

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

3　結論

在鑄造工藝仿真設計的前處理過程中需重視網格劃分的重要性，在確保網格質量良好前提下，盡量減少網格數量，節(jié)約模擬運算的時間.對于大多數鑄造仿真軟件來說，材料數據的獲取、存儲以及參數設置內容和方法基本類似，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計的前處理及過程處理的主要內容和常用方法較為詳細的闡述，為鑄造工藝仿真設計的初學者能夠快速掌握這門技術提供了一定的參與.

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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.