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消失模铸造工艺凝固过程数值模型如何求解?消失模铸造工艺凝固过程数值模拟基于Pro CAST 及 Visual Environment 有哪些应用?

 

消失模铸造工艺凝固过程数值模型如何求解消失模铸造工艺凝固过程数值模拟基于Pro CAST Visual Environment 有哪些应用?笔者在长葛市卜涛模具有限公司( www.cgsbtmj.com ),长期从事消失模铸造用模具计算机辅助设计与计算机辅助制造工作。交付客户模具前后,公司安排笔者到客户车间参观生产流程,辅助参与模具在客户整体生产线的调试工作。于此过程中,笔者将所见所感整理成文字,记述如下:

    消失模凝固过程的数值模型的求解

要对消失模铸造过程中非稳态导热问题进行求解,必须先确定描述该特征的定解条件,已知几何模型和热物性参数时,定解条件包括初始凝固温度的分布和界面换热边界条件。

1)初始条件描述:在铸件凝固模拟过程中,初始温度分布可以有两种处理方式,一种是理想性地忽略充型时间和充型过程中的热交换,假定初始温度为充型温度。

 

 

模铸件表面的温度,hi为它们之间的换热系数,可以取经验常数或者函数。

3)凝固过程数值模型的解法

求解凝固过程的导热微分方程的方法,根据离散方式的不同,主要有有限元

 

FEM 是演变自古典变分法的一种算法,它可以划分不规则网格对复杂的几何体有很好的适应性,网格可以进行变形的应力计算,网格数量小,占存储内存小,能跟快地进行前后处理,并且有限元网格具有通用性, FEM 是一种灵活、精确的方法,适合对复杂、薄壁的铸件进行仿真分析,但有限元网格处理比较复杂、难度大。

相比 FEM , FDM 网格处理方便、效率高,该法在软件应用中最为广泛,一般的商业铸造过程仿真系统多采用该法,但有限差分网格程方块状,对复杂几何轮廓的描述逼真性较差,而且不能用于进行应力计算或者应力耦合其他算法进行计算。

BEM 是继 FEM 后发展发展而来的最新的一种数值解析方法,该方法的只以铸件几何的边界为分析对象。用 BEM 求解时,只需要对边界进行单元分割就可以,相比其他方法要方便很多。 BEM 作为一种迅速发展中的数值模拟方法,它也开始走向应用成熟期,应用 BEM 的软件也正从早期单调的单问题求解程序向综合前后处理等多功能 BEM 综合软件包发展。

本文选用的 Pro CAST铸造过程模拟系统是基于FEM 发展而来的,是世界上唯一能对铸造过程进行THERMAL+FLOW+STRESS三场全耦合分析的商业化模拟软件包,在复杂薄壁铸件的开发和生产,近净形铸造可以显示它的能力和作用。

 Pro CAST 及 Visual Environment 简介

 本文的研究对象为球墨铸铁长叉铸件,形状较为复杂,曲面较多,需要一款能够很好描述模型复杂轮廓的软件来进行分析。此外,该对象属于球墨铸铁材质的铸件,球铁材质凝固收缩过程中会有石墨膨胀现象发生,这就要求我们选择的软件能够考虑到这种复杂的凝固特性。最后,我们选择的软件必须包含消失模铸造模拟模块。满足后两点软件有

Pro CAST 和 MAGMAsolft,但后者是基于 FDM进行计算的,网格描述复杂结构时不如

Pro CAST,因此本文选用了 Pro CAST 软件作为分析工具。

Pro CAST是 1985诞生于UES Software 公司。

   2002 年,Pro CAST 加入ESI集团,随后Pro CAST (有限元铸造仿真)又整合了 Calcosoft(连续铸造仿真)。发展到今天,Pro CAST 已经越来越成熟,与 MAGMAsoft 并称为界著名的铸造模拟软件,并且Pro CAST的虚拟集成化趋势越来越明显,优势也越来越突出。自

Pro CAST  2009 版本以后,Pro CAST 的前后处理、数据处理等几乎全部功能开始向 Visual Environment 转接,Visual  Environment 是 ESI 开发的材料加工全过程模拟集成化虚拟平台,能够逼真地模拟包括铸造、焊接、冲压、热处理等一系列复杂成型过程。其中,针对铸造过程仿真的 Visual-Cast 因其自动前后处理能力强、操作界面更人性化、处理效率更高将有望以未来的版本取代 Pro CAST。

Pro CAST适用于几乎所有的铸造工艺,包含有单独的消失模模块。它的自带材料数据库非常强大,数学模型考虑实际生产因素全面且处于不断更新中,对铸件的各类缺陷把握非常准确。能够快速可视化铸造过程,

    在制造过程的前期做出正确的决策。Pro CAST 使用有限元网格,较少的网格数量即可完美表达模型信息。为达到较快的计算速度,可使用多核(SMP)或多电脑同时计算

(DMP)。

    Pro CAST 主要模块有:网格处理器、流体求解器、热求解器、应力求解器、辐射模块、反求模块、高级缩松模块、微观组织模块、晶粒结构模块。此外还拥有强大的前处理器

Pre CAST 和后处理器 Visual-Viewer。

本文中应用到的有:

1)Visual-Mesh:作为 Pro CAST 最新的 CAD  界面和网格生成器,能进行2D、3D 网格的自动划分和二次网格的处理等。具有全面的 CAD/CAE  接口,最新版能够直接导入*prt

格式几何文件,采纳有限元网格能直接导入导出与其它通用软件(Ansys、Hyperworks、Patrant、ANSA  等);网格生成速度非常快,能进行网格布尔运算和网格装配,能对边和表面可设置不同网格密度,对各种材料的复杂几何模型适应性比较强。

    2)流体求解器(FLOW):

Pro CAST  提求解全三维 N-S 方程并耦合能量方程来计算充型,用 VOF 法正面跟踪自由表面,考虑了凝固中的自然对流和收缩流动。主要特点:求解器全三维 N-S 流体流动方程,拥有非牛顿流体流动模型和消失模模型;能分析金属液的速度、压力、粒子跟踪、矢量方向以及充型过程中卷气和氧化夹杂等。

   3)热求解器(THERMAL):

Pro CAST 涵盖了传导、对流和辐射等传热模型的计算,用焓值表述相变潜热值。

4)微观模块(MICRO):Pro CAST 微观模拟模块可以针对铸造过程中任意位置的热历程模拟。本文进行缩孔缩松预判需要耦合确定性模型球墨铸铁共晶(SGI)(ductile iron eutectic (SGI))进行凝过程中任意位置密度变化的计算。

消失模铸造工艺凝固过程数值模型如何求解消失模铸造工艺凝固过程数值模拟基于Pro CAST Visual Environment 有哪些应用?笔者在长葛市卜涛模具有限公司( www.cgsbtmj.com ),长期从事消失模铸造用模具计算机辅助设计与计算机辅助制造工作。交付客户模具前后,公司安排笔者到客户车间参观生产流程,辅助参与模具在客户整体生产线的调试工作。于此过程中,笔者将所见所感整理成文字,如综上所述。希望和大家共同学习、交流!

 

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