铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通

ProCAST世界领先的铸造模拟解决方案

有限元核心：高精度应力计算、真正的多场耦合

工业化应用：从工业中来到工厂中去

广泛的应用领域：所有铸造工艺、所有合金材料

广泛的数据接口：常用CAD、CAE软件接口

高级冶金学性能分析：铸态组织、性能，晶体结构

广泛的应用平台：Windows、Linux、UNIX

ProCAST是法国ESI公司热物理综合解决方案的旗舰产品，是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的专业CAE系统。借助于ProCAST系统，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、优化铸造工艺参数和工艺方案。ProCAST可以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。由于采用了标准化的、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包ProCAST进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明ProCAST可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。

ProCAST可以直接读取主流软件数据，并具备强大的几何修复功能，同时配备了功能强大的数据接口和三维网格自动剖分工具。ProCAST率先在商用化软件中使用了先进的有限元技术，是目前唯一能对铸造凝固过程进行热－流动－应力完全耦合的铸造模拟软件，可以很好地模拟铸件的充型、凝固和残余应力，不需要与第三方软件进行耦合计算，得到的结果精度高。

ProCAST自推出以来，在世界各地受到了众多用户的青睐，在我国的主要用户比较著名的有：中国第一汽车集团公司、上海汽车铸造厂、航空部材料研究所、齐齐哈尔机车车辆厂、中科院沈阳金属所、上海交通大学、西北工业大学、四川大学等单位。

但自ProCAST推出后，一直没有一本正式而又系统全面的中文用户手册和教材，给用户的使用带来了困难。因为ProCAST功能强大，参数丰富，众多参数交织在一起，往往使用户感到无从下手，特别在网格剖分和计算参数的设置方面，就更是如此。本书旨在为用户提供一本详尽的ProCAST使用手册，书中对原理和使用方法进行了全面详尽的分析和说明。其中，第1章介绍铸造数值模拟的基本概念、ProCAST中包含的基本模块，ProCAST的操作流程等；第2章详细说明ProCAST集成环境，并以一个例子给出运用ProCAST进行模拟计算的基本步骤；第3章为MeshCAST，属于ProCAST的网格自动生成工具，该章详细阐述和说明了生成有限元网格的原理、方法和步骤，是使用ProCAST的关键和难点，也是进行ProCAST操作的比较有趣的部分；第4章系统阐述说明前处理PreCAST的使用原理、方法和步骤，在计算前对所要模拟的工程进行正确完整的参数设置和几何设置是进行准确的数值模拟的重点和主要工作，因此读者应当在此多下功夫；第5章介绍在完成前处理后开始进行计算的操作过程；第6章为结果显示部分，把计算结果显示为三维真彩色图像，并可以动态观察；第7章也属于后处理部分，可以对数据进行各种分析，如缩孔缩松判据设定、热裂冷裂预测等；第8章也属于后处理部分，可以将需要的计算结果输出到一定格式的文件中；第9章、第10章是关于ProCAST软件的教程；第11章给出了运用ProCAST软件进行铸造工艺优化的若干案例。读者可由第1章、第2章、第9章、第10章开始ProCAST软件的入门学习，待这几章内容熟练后，再深入到其他各章节中去，进一步提高ProCAST软件的应用能力。

由于编者水平有限，加之时间仓促，书中疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正，以期再版时修订。

编 者

2010年4月

前言

第1章 绪论 1
1.1 铸造过程数值模拟概论 1
1.1.1 铸造过程数值模拟的来源、内容
和意义 1
1.1.2 铸造过程数值模拟原理 1
1.1.3 国内外数值模拟软件概况 3
1.2 ProCAST模拟软件简介 3
1.2.1 概述 3
1.2.2 合作伙伴 4
1.2.3 ProCAST功能简介 4
1.2.4 ProCAST应用概况 7
1.3 ProCAST模拟流程 8
1.4 ProCAST模块简介 10
1.4.1 ProCAST主模块简介 10
1.4.2 关于使用过程中一些特殊问题
的说明 11
第2章 ProCAST集成环境 19
2.1 软件总环境 19
2.1.1 项目管理（File Manager） 19
2.1.2 模块调用（Module calls） 21
2.1.3 高级模块调用 27
2.1.4 运行列表 29
2.1.5 软件配置 31
2.1.6 用户安装 34
2.1.7 许可证 34
2.2 软件运行过程 37
2.2.1 启动软件 37
2.2.2 模拟参数设定 38
2.2.3 计算 43
2.2.4 结果显示 44
第3章 MeshCAST网格生成 47
3.1 MeshCAST概述 47
3.2 MeshCAST的工作流程 48
3.3 MeshCAST的启动 49
3.4 MeshCAST的主菜单 50
3.4.1 File菜单 50
3.4.2 Properties菜单 53
3.4.3 Help菜单 54
3.5 修改环境 54
3.5.1 修复工具 56
3.5.2 修改工具 93
3.5.3 集合表 106
3.6 网格环境 109
3.6.1 编辑网格 110
3.6.2 壳体（Shell） 113
3.6.3 生成体网格（Tet Mesh） 123
3.6.4 操作工具（Operational Tools） 127
3.6.5 显示菜单（Display Ops） 136
3.6.6 激活选项集（Active Ops） 138
3.7 网格质量检测环境 141
3.7.1 材料编辑表（Material Editing Table） 141
3.7.2 操作工具（Operational Tools） 144
3.7.3 显示选项卡（Display Ops） 151
3.7.4 激活选项卡（Active Ops） 153
3.8 显示工具夹（Display Tools） 154
3.9 网格装配 160
3.9.1 表面网格装配 161
3.9.2 新版本对面网格装配的改进 177
3.9.3 布尔装配 184
3.9.4 生成壳体网格 187
3.10 新壳层网格生成系统 193
第4章 前处理 201
4.1 简介 201
4.2 几何体导入 204
4.3 传热 205
4.3.1 几何体设置 205
4.3.2 材料赋值 206
4.3.3 界面赋值 209
4.3.4 边界条件 214
4.3.5 过程条件的赋值 217
4.3.6 初始条件 218
4.3.7 运行参数 219
4.3.8 流体流动和充型 220
4.4 辐射 222
4.5 应力 229
4.6 数据库 234
4.6.1 材料数据库 234
4.6.2 材料物性 237
4.6.3 热力学数据库 240
4.6.4 界面数据库 252
4.6.5 边界条件数据 253
4.6.6 过程数据库 260
4.6.7 应力数据库 264
4.6.8 应力模型和性质 265
4.7 运行参数 281
4.7.1 通用运行参数 282
4.7.2 温度场运行参数 286
4.7.3 热平衡计算参数 289
4.7.4 辐射运行参数 290
4.7.5 流动运行参数 292
4.7.6 紊流运行参数 300
4.7.7 应力运行参数 301
4.7.8 微观组织模拟运行参数 304
4.7.9 预定义运行参数 306
4.7.10 推荐运行参数 307
4.8 缩松模型 310
4.8.1 POROS=1 310
4.8.2 POROS=4 313
4.8.3 POROS=8 313
4.8.4 密度定义 314
4.8.5 激活补缩 315
4.8.6 铸铁缩孔模型 315
4.8.7 虚拟铸型 320
4.8.8 过滤网 323
4.8.9 发热材料 325
4.8.10 热平衡 326
4.8.11 消失模 328
4.8.12 触变铸造 331
4.8.13 离心铸造 333
4.8.14 大铸锭充填过程 334
4.8.15 多体网格和非一致性网格 335
4.8.16 网格优化 338
第5章 计算运行 339
5.1 求解器 339
5.2 疑难解答 341
第6章 结果显示 344
6.1 简介 344
6.2 域选择 348
6.3 显示类型 351
6.4 显示参数 359
6.5 放映机 369
6.6 曲线 369
6.7　几何操作 373
第7章 结果分析 378
7.1 流体前沿跟踪 378
7.2 判据函数 380
7.3 缩松 384
7.4 金属疲劳寿命指示器 385
7.5 热裂指示器 385
7.6 冷裂指示器 385
7.7 斑点指示器 386
第8章 结果输出 387
8.1 简介 387
8.2 几何体 387
8.3 辐射面 388
8.4 温度 388
8.5 热流率 390
8.6 位移 390
8.7 应力 390
第9章 ProCAST主模块的操作步骤演示 392
9.1 GeoMESH——完全自动化的网格剖分工具 392
9.1.1 GeoMESH概述 392
9.1.2 GeoMESH操作过程 393
9.1.3 GeoMESH与MeshCAST的对比 401
9.2 MeshCAST——ProCAST中的有限元网格剖分工具 403
9.2.1 简介 403
9.2.2 操作过程 405
9.3 PreCAST——前处理 415
9.4 ViewCAST——后处理界面 419
第10章 网络模型各种铸造方法的ProCAST模拟操作过程 434
10.1 砂型重力铸造 434
10.2 带滤网的砂型铸造 442
10.3 熔模铸造 452
10.4 消失模铸造 462
10.5 压铸 465
10.5.1 压铸热平衡分析 465
10.5.2 压铸—流场温度场耦合分析 476
10.6 低压铸造 482
10.7 离心铸造 490
10.8 连续铸造 500
10.8.1 原理 500
10.8.2 前处理 503
10.8.3 MiLE算法实例 519
10.9 射砂制芯 525
10.10 触变铸造（半固态铸造） 527
10.11 应力计算 530
10.12 非连续网格模型计算 538
10.13 微观组织模拟 545
第11章 运用ProCAST进行铸造工艺优化的实例分析 549
11.1 如何有效运用铸造数值模拟软件提高铸件质量 549
11.1.1 目前铸造模拟软件在我国铸造企业的应用现状及原因分析 549
11.1.2 有效运用数值模拟软件提高铸件质量的方法 551
11.2 复式比例阀的计算机辅助均衡凝固工艺设计及数值优化 552
11.2.1 设计背景 552
11.2.2 铸件工艺设计 552
11.2.3 数值模拟校核 556
11.2.4 结论 557
11.3 用模数网络法进行刹车头球铁件工艺设计及优化 557
11.3.1 设计背景 557
11.3.2 铸造工艺设计 558
11.3.3 铸件的工艺参数计算 560
11.3.4 铸件工艺的模拟优化 561
11.4 用模拟方法直接寻找热节从而简化铸造工艺的实例 563
11.5 金属型重力铸造摩托车铝合金车轮凝固过程数值模拟 565
11.5.1 模拟前处理 565
11.5.2 凝固模拟过程分析 566
11.5.3 工艺改进方案 567
11.5.4 结论 568
11.6 熔模铸造热水器密封盘的结构和工艺性研究 568
11.6.1 前言 568
11.6.2 密封盘的铸造工艺模拟 569
11.6.3 密封盘的应力和变形模拟 570
11.6.4 结论 572
11.7 铝合金压铸件浇注系统优化 572
11.8 CAFE在易切削钢9SMn28成分优化上的应用 574
11.8.1 前言 574
11.8.2 CAFE 模型的描述 575
11.8.2 CAFE模型的应用 577
11.8.3 结论 579