鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)前處理及過(guò)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(jì)前處理及過(guò)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(jī)械與汽車(chē)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(duì)鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)前處理和過(guò)程處理每個(gè)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容與使用方法進(jìn)行了較為詳細(xì)地歸納、分析和總結(jié).提出了處理過(guò)程的技術(shù)路線，并系統(tǒng)地介紹了每項(xiàng)應(yīng)用內(nèi)容的操作平臺(tái)與使用步驟，從而為高效地應(yīng)用鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支持.

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

當(dāng)前世界主流的鑄造仿真軟件包括國(guó)外（ProCAST、MAGMAsoft、Anycasting、Flow-3D、Solid-CAST、Ansys、Novacast）及國(guó)內(nèi)（華鑄CAE、華星）9款軟件［1-2］.雖然它們都是進(jìn)行鑄造仿真計(jì)算的工具，但其設(shè)計(jì)思路和方法并不相同.課題組對(duì)這9款軟件進(jìn)行了較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)和研究，分析了各自特點(diǎn)，并對(duì)其共性的內(nèi)容進(jìn)行了歸納和總結(jié).為更好地應(yīng)用鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)，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(jì)的前處理及過(guò)程處理基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了其每個(gè)環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容和使用方法，以及處理過(guò)程中每項(xiàng)應(yīng)用內(nèi)容的操作平臺(tái)與使用步驟，可為鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)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(jì)的前處理是進(jìn)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(guò)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(shí)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(qiáng)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(méi)有此功能，主要采用后一種方法.UG在三維實(shí)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(shí)體進(jìn)行細(xì)致、準(zhǔn)確地繪制，推薦使用.在導(dǎo)出時(shí)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(kāi)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?jiǎng)澐朱`活，可適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，精度高，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽車(chē)輪轂等；四邊形單元?jiǎng)t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(duì)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(zhǎng)度.活塞尾的網(wǎng)格劃分實(shí)例如圖1所示.該產(chǎn)品長(zhǎng)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(zhǎng)度設(shè)為0.05 in.以ProCAST軟件為例，對(duì)鑄件活塞尾進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為136 737，節(jié)點(diǎn)數(shù)為26 266.可以看出，網(wǎng)格質(zhì)量良好，沒(méi)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(duì)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(diǎn)對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，精度高，但計(jì)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(shí)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(jìn)行后續(xù)工作.

針對(duì)這3種接口方式可以導(dǎo)入的文件類(lèi)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(yàn)比較發(fā)現(xiàn)：

①Hyper Mesh的網(wǎng)格劃分功能強(qiáng)大，可對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行細(xì)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(cuò)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(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，但要求模型的錯(cuò)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(jiǎn)單、算法簡(jiǎn)潔，因此，網(wǎng)格劃分簡(jiǎn)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(jiǎn)單的鑄件.網(wǎng)格形狀一般采用四邊形.

2　過(guò)程處理

經(jīng)前處理后，針對(duì)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(cè)→確定仿真內(nèi)容→選擇仿真軟件→仿真計(jì)算和結(jié)果分析→工藝方案改進(jìn)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(shí)踐.依據(jù)技術(shù)路線進(jìn)行鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)的過(guò)程處理，該處理過(guò)程是模擬運(yùn)算的核心，直接決定了仿真的真實(shí)性和可靠性.其中，過(guò)程處理主要包括材料數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、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(jì)算法、試驗(yàn)法、反求法和攝取法，較常用的為計(jì)算法和試驗(yàn)法.

（1）計(jì)算法.計(jì)算法是指通過(guò)軟件自帶的材料性能計(jì)算功能來(lái)進(jìn)行材料各種性能參數(shù)的計(jì)算和添加的方法.ProCAST針對(duì)不同的材料特性，提供了3種計(jì)算模型：Scheil model、Lever rule、Back Diffusion.了解不同材料的特性后，可進(jìn)行材料數(shù)據(jù)的錄入和計(jì)算.具體方法為：打開(kāi)ProCAST軟件的材料性能計(jì)算模塊，找到“Material”菜單下的“Assign”并打開(kāi)，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(jì)算模型“Apply”后，點(diǎn)擊“Store”，ProCAST通過(guò)內(nèi)部的計(jì)算模塊計(jì)算出該種材料的熱、流動(dòng)等物性參數(shù).以HT150為例，HT150的化學(xué)成分如表1所示.計(jì)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(yàn)法.試驗(yàn)法是指通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和實(shí)測(cè)來(lái)獲取材料相關(guān)參數(shù)的方法.對(duì)于新開(kāi)發(fā)的材料、非標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)以及已知材料的部分性能參數(shù)，常需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算和實(shí)測(cè)，獲取材料的相關(guān)參數(shù)，以便存儲(chǔ)到鑄造仿真軟件中.該方法簡(jiǎn)單、原始，不再舉例說(shuō)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(kāi)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(cè)法和引伸計(jì)法測(cè)定等；

③熱物性參數(shù)：直接測(cè)量法.非穩(wěn)態(tài)線性法測(cè)定熱導(dǎo)率，激光脈沖法測(cè)定熱擴(kuò)散系數(shù)、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)等；間接測(cè)量法.射線衍射法測(cè)試高溫液態(tài)金屬密度，比較法測(cè)定熱容，根據(jù)計(jì)算公式λ=ρCpa測(cè)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(shí)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(jì)算并通過(guò)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行實(shí)測(cè).

（3）反求法.反求法是相對(duì)于正向求解來(lái)說(shuō)的，即通過(guò)等號(hào)右邊的已知量來(lái)反推等號(hào)左邊的未知量.反求法可以利用實(shí)際的測(cè)試溫度數(shù)據(jù)來(lái)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(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)和技術(shù)資料［9］，簡(jiǎn)述反求法的操作步驟：

①選取鑄件的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行凝固過(guò)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(jì)算對(duì)象；

③在“Inverse Setting”里輸入所測(cè)得溫度點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)；

④按照prefix.tt文件的格式編輯實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)獲得溫度-時(shí)間數(shù)據(jù)，并保存為prefixim.dat文件；

⑤返回主界面，點(diǎn)擊ProCAST菜單下的“Inverse”，啟動(dòng)逆運(yùn)算.

（4）攝取法.攝取法是指通過(guò)其他數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)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(bǔ)充和完善數(shù)據(jù)庫(kù).一些研究人員已開(kāi)發(fā)了多款可服務(wù)于Pro-CAST的材料數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，如JMat Pro軟件和吳翠姑等人開(kāi)發(fā)的“鑄造材料數(shù)據(jù)庫(kù)”軟件［10］.以JMat Pro為例：

①點(diǎn)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(chēng)為“AA2024”并保存；

②打開(kāi)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(kāi)，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(kāi)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(chǔ)和調(diào)用材料數(shù)據(jù)

（1）存儲(chǔ)材料數(shù)據(jù).存儲(chǔ)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(chǔ)到鑄造仿真軟件內(nèi)的方法和過(guò)程.針對(duì)鑄造仿真軟件的材料數(shù)據(jù)存儲(chǔ)難的問(wèn)題，MAGMAsoft提供了一個(gè)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用其數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可對(duì)MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有的材料數(shù)據(jù)進(jìn)行添加和存儲(chǔ)，包括Global、User和Project 3個(gè)模塊，現(xiàn)有文獻(xiàn)已闡述地很詳細(xì)，不再舉例說(shuō)明.以User為例簡(jiǎn)述其操作步驟：

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

②在彈出新材料命名窗口中寫(xiě)入材料名稱(chēng)，點(diǎn)擊“OK”確認(rèn)，選擇“Edit”；

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

④打開(kāi)“Data”菜單，點(diǎn)擊“save”進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合某款鑄造仿真軟件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)并為其所用的方法和過(guò)程.大多數(shù)鑄造仿真軟件由于是不同國(guó)家研發(fā)的，因此數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)也不相同，如MAGMAsoft采用的是德國(guó)標(biāo)準(zhǔn).如何將其他途徑獲得的不同標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在仿真軟件中調(diào)用是一個(gè)難點(diǎn)，本文將闡述MAGMAsoft不同標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的調(diào)用方法和步驟，簡(jiǎn)單易懂，讀者可依此方法操作，不再舉例說(shuō)明：

①將國(guó)內(nèi)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，若在德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)表中能夠找到該材料，則在MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫(kù)中找到該材料并使用；

②針對(duì)MAGMAsoft中沒(méi)有的標(biāo)準(zhǔn)材料，可查詢(xún)其他鑄造CAE軟件材料庫(kù)、專(zhuān)門(mén)的材料數(shù)據(jù)庫(kù)軟件或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)中的材料數(shù)據(jù)，在MAGMAsoft數(shù)據(jù)庫(kù)中新建該材料，將其相關(guān)參數(shù)輸入到材料數(shù)據(jù)庫(kù)并保存.

2.3參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置是指針對(duì)具體鑄造工藝方案對(duì)鑄造仿真軟件中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置的方法和過(guò)程.參數(shù)設(shè)置是鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容，由于不同的鑄造仿真軟件開(kāi)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(huì)有所不同.相比于其他鑄造仿真軟件來(lái)說(shuō)，MAGMAsoft的參數(shù)設(shè)置內(nèi)容最為全面和細(xì)致，設(shè)置方法便捷，每設(shè)置完一個(gè)參數(shù)才能進(jìn)入到下一個(gè)環(huán)節(jié)，避免了設(shè)置過(guò)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(guò)程計(jì)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?cè)O(shè)置→計(jì)算設(shè)置.其難點(diǎn)在于材料設(shè)置，下面簡(jiǎn)述其具體設(shè)置方法：

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

②選擇需設(shè)置的模型，點(diǎn)擊“select data”，選擇數(shù)據(jù)庫(kù)和材料類(lèi)型，如圖7所示，點(diǎn)擊“ok”，然后點(diǎn)擊“parameters”，根據(jù)需要設(shè)置涂層參數(shù).

模型前面帶“+”符號(hào)的表示一個(gè)材料組，可點(diǎn)擊“expand”對(duì)材料組內(nèi)的單個(gè)模型即模型前面帶“-”號(hào)的進(jìn)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(jì)的前處理過(guò)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(yùn)算的時(shí)間.對(duì)于大多數(shù)鑄造仿真軟件來(lái)說(shuō)，材料數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)以及參數(shù)設(shè)置內(nèi)容和方法基本類(lèi)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(guò)對(duì)鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)的前處理及過(guò)程處理的主要內(nèi)容和常用方法較為詳細(xì)的闡述，為鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)的初學(xué)者能夠快速掌握這門(mén)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).