【推荐精品硕士论文】基于ProCAST 的发动机机匣铸造工艺优化研究.pdf

中图分类号： tg249.5 盲 审 编 号：307 硕 士 学 位 论 文 题目 基于 procast 的发动机机匣铸造 工艺优化研究 作 者 姓 名 ：熊威龙 指 导 教 师 ：戴斌煜 学 科、 专 业 ：航 空 宇 航 制 造 工 程 2013 年 12 月 学校代码：10406 分类号：tg249.5学号：110082503007 南昌航空大学南昌航空大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （学位研究生） 基于基于 procastprocast 的发动机机匣铸造工的发动机机匣铸造工 艺优化研究艺优化研究 硕士研究生：熊威龙 导师：戴斌煜 申请学位级别： 硕士 学科、专业：航空宇航制造工程 所在单位：航空制造工程学院 答辩日期：2013 年 12 月 授予学位单位： 南昌航空大学 the study and optimization of technology for cartridge receiver based on procast adissertation submitted for the degree of master onaeronautical andaerospace manufacturing engineering byxiong weilong under the supervision of associate prof. dai binyu school ofaeronautical manufacturing engineering nanchang hangkong university, nanchang, china december, 2013 i 摘要 机匣是航空领域的基本部件， 采用 k4169 高温合金整体无余量精密铸造而成， 为结构复杂的薄壁铸件，要求有很高的质量和尺寸精度。铸造工艺通常是在许多 实验的基础上确定的，其周期时间长、费用高。采用 procast 模拟软件对铸件进 行模拟，模拟的结果对精铸工艺实验能有效地指导，实现可视化铸造，研制机匣 成本可以进一步的降低，提高机匣的质量，从而来满足飞机发动机部件研制进程 的要求。 本文通过用procast数值模拟软件对k4169高温合金整体结构精铸件浇注系 统的优化，模拟机匣的充型过程和凝固过程，分析不同浇注温度、型壳温度及泡 沫陶瓷过滤器对充型形态的影响，进而分析铸造工艺对铸件质量的影响，最终针 对铸件设定合理的工艺。我们发现：为防止铸件在成型过程中产生浇不足、冷隔 等铸造缺陷，合金液体必须具有良好的充型能力，就需要较高的浇注温度和型壳 温度，但浇注温度、型壳温度过高，凝固时间增加，容易产生疏松和热裂，较低 的浇注温度和型壳温度能减少疏松和热裂。模拟结果表明：在型壳温度为 1050， 浇注温度 1550的条件下，浇注系统采用顶注底注相结合的联合注入法，能够 同步、平稳地把金属液注入浇注系统，同时，采用泡沫陶瓷器的浇注系统的铸件 致密性高，而且氧化夹杂物、局部热节、缩松缩孔等缺陷有效地减少了。通过对 泡沫陶瓷器块数的调整，很好地解决了斜支板根部位的缩松和裂纹等缺陷。通过 泡沫陶瓷过滤器的净化实验可推测出模拟过程中采用泡沫陶瓷器技术后机匣充型 完整，浇注出的机匣质量较好，氧化夹杂物，综合松缩孔大大减少，泡沫陶瓷过 滤工艺的净化效果最优。 本文的研究结果为提高铸件的质量，减少废品率提供了依据，通过 procast 数值模拟软件的使用大大的减小了成本，从而体现出数值模拟的优越性，它为铸 造工艺的优化提供了科学的理论指导。 关键词关键词：机匣，procast，数值模拟，k4169 高温合金，过滤技术 ii abstract the cartridge receiver studied in this paper is a basic component in aviation, and it is marginless precision thin-walled casting made of k4169 integral superalloy with complex structure, and it requires high quality and size precision. usually casting process is determined on a lot of experiments,it is a long cycle process of high cost. using procast numerical simulation software can effectively guide the casting experiment,makingcastingvisualizationpossible,anditcanfurtherreduce development cost, improve the quality of cartridge receivers,and satisfy development requirements of the frame research. by changing gating system of k4169 superalloy integral casting based on numerical simulation software procast, analysing effects of different casting on filling pattern, then analysing the effects of casting process on casting quality, at last setting reasonable process.the higher pouring temperature and formwork temperature can guarantee alloy liquid filling ability, basic can eliminate the casting defects such as cold shut, misrun, but when pouring temperature, formwork temperature is too high, the coagulation time, prone to osteoporosis and cracking, low water and formwork temperature can reduce the loose and cracking, but low casting and formwork temperature makes the inclined plate filling difficult. the experimental results show that: under the formwork temperature is 1050 ,feeding temperature is 1550 , and using bottom gating system is best, the casting can gate well, but in the switching part of hollow blade, the shrinkage is more serious in the inner and outer rings, even crack appears; the porosity of tendency of the inner gate between the inner ring and the straight runner is serious,the top-bottom combined gating system, can make the liquid metal synchronization, smoothly flow into the gating system. at the same time, using foam ceramics of gating system of casting ,casting density is high,effectively reduce the local heat spot and shrinkage porosity, oxide inclusions and other defects.changing the pieces of the foam ceramic can solve the defects of shrinkage and crack of pine root parts.through the foam ceramic filter purification experiment can infer using foam ceramics during the process of simulation technology for the filling is complete, after pouring out of the casing quality is better, oxide inclusion, comprehensive pine shrinkage greatly reduced.the filtering effect of the foam ceramic filter was most excellent. iii the results of this study form a basis for improving the quality of castings, reducing scrap rate, the use of numerical simulation software procast greatly reduces the cost, and it shows the superiority of the numerical simulation and provides theoretical guidance for optimizing casting process. key words: cartridge receiver,procast,numerical simulation,the k4169 superalloy, foam ceramic filter technology 南昌航空大学硕士学位论文目录 iv 目录 摘要.i abstract.ii 第 1 章绪论.1 1.1 本课题研究的背景与意义.1 1.2 铸造 k4169 镍基高温合金简介. 2 1.3 熔模铸造的发展概况.2 1.4 泡沫陶瓷过滤器在国内外铸造的应用概况.4 1.5 铸造合金上应用过滤技术的状况.6 第 2 章procast 软件简介及数值模拟数学物理模型描述.7 2.1 procast 模拟软件的选用. 7 2.2 procast 模拟软件的简单概述. 7 2.2.1 procast 软件的主要功能模块简介. 8 2.2.2 procast 的应用. 9 2.3 procast 软件的模拟流程.11 2.4 数值模拟基本理论. 11 2.4.1 充型过程数值模拟数学描述.12 2.4.2 凝固过程的理论基础.14 2.5凝固过程缩孔缩松的特征及预测.15 2.5.1 缩孔缩松的特征.15 2.5.2 铸件缩孔缩松的预测.15 2.6 本章小节.16 第 3 章机匣三维造型及模拟前处理.18 3.1 三维实体模型特点.18 3.2 ug 造型. 20 3.3 网格的划分.21 3.3.1 机匣铸件的网格划分.21 3.3.2 面网格的修复.23 3.3.3 型壳的面网格划分.23 3.3.4 体网格的划分.24 南昌航空大学硕士学位论文目录 v 3.4 热物性分析.25 3.5 参数的设置.26 3.6 本章小节.28 第 4 章 机匣铸造过程模拟及分析.29 4.1 数值分析.29 4.2 参数对比.30 4.2.1 机匣铸件充型过程中的数值模拟.30 4.2.2 机匣凝固过程的数值模拟.34 4.2.3 最佳浇注温度与型壳温度的确定.39 4.3 有无过滤器的两组参数凝固及缺陷对比.42 4.4 模拟的实验依据.44 4.4.1 实验方法.44 4.4.1 过滤后 k4169 合金实验结果. 46 4.5 本章小节.47 第 5 章 结论与展望.48 5.1 结论.48 5.2 展望.48 参考文献.50 附录.54 攻读硕士期间发表的学术论文目录.56 致谢.57 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 1 第 1 章绪论 1.1本课题研究的背景与意义 我国航空工业的快速发展急需提高航空发动机的综合性能。机匣是航空发动 机的重要组成部件，其强度和可靠性是决定航空发动机性能的重要因素之一，因 此，成品件的机匣是绝对不允许有任何缺陷的1-3。传统机匣在我国生产的结构是 焊接结构，其存在许多局限性。最近这些年，我国开始尝试整体铸造机匣，但因 为带有斜支板结构的机匣有较大的直径，结构也较为复杂，除了机匣的安装边以 外，其余部分大多都为薄壁，而且每个部位的尺寸也有很大的差别，较厚处超过 15 mm，最薄处 2.0 mm，所以要避免铸造缺陷相当不容易4。 制造航空发动机的关键零部件时，高温合金是制造其的关键材料，航空发动 机的使用寿命会直接受到高温合金质量的影响，同时，飞机的安全也会受影响5。 因此会对高温合金的纯净度提出了更高的要求，因为百万之几的夹杂物的出现都 会对材料的加工带来不良的影响。在铸造前，清除熔体中的夹杂物，不管从技术 观点还是经济观点都十分必要的6-8。 在生产近净成形金属零件的重要方法里有熔模铸造，广泛的应用于制造业。 根据目前的实际生产情况来看，所有的生产厂家在确定新产品的铸造工艺方案时， 几乎都采用“经验+试验”的方法，新产品开发成本不仅增加，而且产品的开发周 期也延长了。 目前该机匣采用高温合金 k4169 真空熔模铸造的方法来制造。由于该铸件具 有极其复杂的结构，比较容易出现较多的铸造缺陷，进行多次工艺试验从而来摸 索并改进工艺，大量的试验将会产生许多废品，浪费大量宝贵的时间和价高昂的 型壳、合金材料，使得工艺改进的时间增加、拉长周期、增高制造成本9,10。 随着现代计算机数值模拟技术的不断发展，cae 技术在铸造生产过程中得到 广泛的应用，所以 cae 技术在高温合金的铸造研究中的应用是非常必要的。使用 计算机模拟技术有很多优点，例如能够对机匣铸件进行可视化生产、对机匣铸件 工艺参数及铸造生产过程进行快速检测和控制，并对机匣铸造工艺进行最优化处 理，预测铸造缺陷以及氧化夹杂的位置，从而保证机匣铸件质量、缩短机匣铸件 试制周期、降低机匣铸件制造成本以及经济效益的提高11-13。 本文主要致力于将泡沫陶瓷过滤技术与熔模铸造相结合，设计合理的浇系统， 采用 procast 软件对铸造高温合金机匣充型及凝固过程进行模拟，并对合金铸件 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 2 的铸造缺陷进行了预测，并探讨对其工艺改进，从而用于生产。 1.2 铸造 k4169 镍基高温合金简介 k4169 是我国铸造高温镍基合金牌号， 它在 procast 材料库里对应的合金牌号 是 in718c（美国牌号） ，其属于时效硬化性合金，热处理后组织为 、 强化相、 相及 mc 碳化物。其主要取决于 相来进行沉淀强化，但由于 相在使用阶段 高于 650时会发生 + 相变，故对该合金的高温性能是极为不利的， 所 以其使用的温度一般不会超过 65014。 美国的 eiselstein 开始研究合金 in718 的性能，发现该高温合金因其具有良好 的中温性能、焊接性能和经济性。发现高温合金因其优良的性能、焊接性能和经 济性。 因此合金在 1960 年代早期开始用于军事航空， 然后慢慢用在民用航空领域， 目前主要用于发动机零件的结构。基于高温合金 in718 优良的高温性能，世界开 始对高温合金 in718 投入大量的时间和精力去学习。人们为了进一步提高微观结 构的稳定性和力学性能，通过改变合金元素的含量，提高组织稳定的合金，开发 了 in718plus 合金、 合金 in625 和合金 in706， 因为它们具有一些更强的金属性能， 如热稳定性、抗蠕变性、可焊性和耐腐蚀性等。高温合金已广泛应用于航空航天、 核能、海洋工程等领域。研究高温合金 in718 在我们国家比较晚，但仍引起极大 的关注，目前，变化在 k4169 高温合金晶粒细化 in718 合金组织和性能已取得了 一些研究成果，并成功地用于航空航天和民用领域，基本满足在我国高温合金需 求的应用15-17。 1.3 熔模铸造的发展概况 熔模精密铸造，简称熔模铸造，是液态金属在重力作用下浇入由蜡模熔失后 形成的中空型壳并在其中成型从而获得精密铸件的方法，又称失蜡铸造（lost wax casting )。 熔模铸造工艺特点是：用易熔模，不用开箱取模，采用液体涂料，铸型光洁、 精确热壳浇注，金属液对型壳的复印性好。但熔模铸造也有其局限性：铸件尺寸 不能太大工艺过程复杂，工序繁多，生产周期长，铸件冷却速度慢，降低机械性 能。 熔模铸造是一种实现少无切削加工的、 先进的精密成形工艺， 它最适用于 25kg 以下的高熔点、难以切削加工的合金铸件的成批、大量生产。目前主要用于航天 飞行器、飞机、汽轮机、泵、汽车、拖拉机和机床上的小型精密铸件和复杂刀具 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 3 的生产。 早在 2500 年前（殷商时期）我国已应用失蜡铸造技术铸造各种青铜器皿、钟 鼎及艺术品，其造型细致，工艺复杂，铸工精湛，可见当时铸造工艺已达高水准。 现代熔模铸造工艺是在 20 世纪初期开始形成的。最初是牙科医生用熔模铸造 方法浇注金属假牙。第二次世界大战期间，美、英等国首先采用熔模铸造方法， 生产喷气涡轮发动机叶片。 我国的熔模铸造是在50年代开始应用于生产。如今，人们或许会认为，这个 历史久远的铸造业在当今社会必然会成为“夕阳工业” ，可事实上是这样的吗?让 我们举一个例子来看：对于某些三维结构复杂的零部件，如果采用轧制钢材然后 再经机械加工，加工成最终需要的零部件，这种加工方式需要消耗的能量为 268mj/kg，而如果用精密铸造的近净形铸造，再处理一点点，能量的消耗只有 62.8mj/kg，我们可以清楚地看到，能有四分之三的能源节约。这个示例数据非常 有力的解释：铸造行业不仅不是“夕阳产业”，这是现代先进制造技术中是非常 重要的一部分。世界市场在未来需要什么样的铸造产品吗?总之就是六个字：“准 确”、“柔性”和“快捷”，铸造行业竞争在当今激烈的市场赢得应有的地位， 必须从以上几个方面下功夫18-20。 1999 年在德国杜塞尔多夫举行的铸造国际博览会（gifa99）提出21：在 21 世纪的发展趋势是铸件是“密化、轻量化、近无余量铸件和零缺陷铸件”的口号。 作为 21 世纪国家航空航天、核能、发展汽车行业和其他行业对铸件的轻量和汽车 的要求越来越高，对于铸件向“无余量、薄壁、高精度、高性能、大型复杂、整 体化”的方向。可以预见未来铸造有色合金复杂薄壁铸件的发展趋势是市场需求 会越来越大，铁合金铸件的比例将有下降的趋势。 铸件薄壁化是现代铸造技术的重要发展方向。 “复杂薄壁”铸件的含义是22： (1)：一个是大型结构复杂的零件，制造或其他机械加工方法很难完成；从铸件结 构设计的角度看，某些区域比较特殊，如凹凸急剧转型，厚度急剧转变等；(2)薄 壁：一般大小是小于4毫米，有些地方可以薄到0.5毫米，通常这类铸件是由几个大 型平面与曲面组成，这类铸件成型是困难的。 这个种类合金铸件的允许最小壁厚和铸件表面面积是密切相关的。铸件表面 积如果越大，则铸件的允许最小壁厚就越大。人们普遍认为：有色合金铸件的壁 厚为 2mm4mm 时，铸铁件壁厚 4 mm6 mm（国外 33.5 mm）23时一般可称之 为薄壁铸件，而壁厚部分小于 3.5 毫米的铸铁，壁厚小于 2 毫米的铝合金铸件可以 称为超薄壁铸件23,24。 为了适应以后世界市场的需求， 发展 21 世纪的有色合金复杂薄壁铸件应体现 以下几个特点：近净形化、轻量化、精密化、整体化、绿色化以及智能化25。 总之，熔模铸造业发展实分迅速，而且使用范围非常广。中国熔模铸造业已 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 4 走向世界舞台，出口产值越来越高，如图 1-1。除了前面所说用于军事工业、航空 航天，熔模铸造技术应用到几乎所有的工业领域，特别是在石油、化工、能源、 制药、体育、交通、轻工、制药、医疗设备等。当前投资铸造方向是朝着大型、 薄壁、复杂、精密方向。但随着科技的进步，投资铸造生产逐步实现机械化和自 动化，美国、日本和其他国家已经在生产大型民用部分，如低成本汽车使用熔模 铸造，其有效地降低了生产成本，缩短汽车生产周期。这些是扩大铸造的应用范 围的途径，当与其他行业竞争具有优势，因此投资铸造的前景依然光明26。 图 1-1 精铸件出口企业年出口熔模铸件产值 fig.1-1 exporting output of investment casting a year 1.4 泡沫陶瓷过滤器在国内外铸造的应用概况 近年来国内外，铸件和钢在铸造过程中广泛用泡沫陶瓷过滤器，大量生产泡 沫陶瓷过滤器，滤孔大小一般为 0.5 5.0mm，通常孔隙度高达 90%使用泡沫陶 瓷过滤器有很多好处，首先可以明显改善完铸件产品的质量，例如：节约成本， 提高废品金属回收率等。因泡沫陶瓷过滤器本身结构与二维过滤器结构不相同， 所以非常小的夹杂物它都能过滤掉27。 过滤金属技术很快在国外铸造行业流行起来，他们首先发现该技术明显改善 铸件的质量，提高了生产率和降低铸造成本。用泡沫陶瓷过滤器可以减少铸造系 统的氧化夹杂物。这样的非金属夹杂物含量大大减少，从而提高铸件质量合格率 为60%85%28。 如今，有更多满足有色金属和合金的铸造要求的各类泡沫陶瓷过滤器被研制 出来，在多年的冶金生产过程中，为过滤铝，一直使用 cr2zo3-a12o3类材料和含 磷酸粘合剂的氧化铝。有的时候，为铸造活性高的铝合金，成功地使用了一种不 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 5 带粘合剂而烧结成的氧化铝制成的过滤器29。含磷酸粘合剂的过滤器甚至用于过 滤有色金属和它们的合金，且合金能低温熔化，类似的合金还有青铜、锡、铜等。 黑色金属及其合金与有色金属相比，其化学活性高，浇注温度和要求高，所 以新型的耐高温性能的泡沫陶瓷过滤技术的研究与开发，已成为现代铸造业的需 要。新型的泡沫陶瓷过滤器，由碳化硅制成，具有较高的化学稳定性。国外生产 生铁铸件，使用碳化硅泡沫陶瓷过滤器。在大规模生产，如果你有重要的生铁铸 件要生产，在某些国家的汽车公司厂铸造时，将广泛采用这些泡沫陶瓷过滤器30。 铸造高强度的球墨生铁用 10ppi 的粗过滤器，以获得较大块的铸件。用在净化 灰口铸铁用 20ppi 的过滤器，而孔隙大小为 30ppi 的细过滤器则用在可锻铸铁的生 产过程中。 在可锻铸铁和灰口铸铁曲轴生产汽车，使用喷流沉积型过滤器。在加工车间、 废钢量减少 30% 35%，至到减少为 0.3%。为使用过滤器具有优势，在铸造系统 的简化装置，在这个有限的面积里有更多的泡沫陶瓷过滤器，因此平均生产率提 高 5% 25%。一系列的研究和试验表明，经过喷流沉积型泡沫陶瓷过滤器铸造球 墨铸铁，过滤后的铸件的抗拉强度极限和屈服点明显提高了，力学性能和疲劳应 力也比之前有所提高。但是碳化硅过滤器不能反复使用，其消费高于其他类型的 陶瓷过滤器，不过碳化硅陶瓷过滤器有较高的热稳定性。因此，美国、日本、英 国和其他国家在黑色金属铸造时，在大规模生产中将主要采取三氧化铝，氧化锆 和莫来石这一类陶瓷过滤器， 因为这一类过滤器(包括碳化硅)是泡沫陶瓷过滤器系 列中最便宜的31-33。 在研究、生产的50千克铸件时，可能在某些合金中会使用泡沫陶瓷过滤净化技 术。 过滤器孔隙率为10ppi 30 ppi的二氧化锆和被二氧化锆氧化的过滤效果是最好 的。莫来石的过滤器过滤效果就相比较差。 美国的“fischer cast steel products” 公司，生产有重147千克铜铸造时，会使用净化液态金属工艺，使铸造金属经过二 氧化铝陶瓷泡沫过滤器。它的大小是100l0025mm，孔隙率大小为30ppi。该方 法在加工铸铁产品，表面缺陷是可以避免的从而减少浪费时间，因为需要消除表 面缺陷需要大量的时间，确保其所有的机械加工。 可见，泡沫陶瓷过滤器使用selee / fe类材料制成的过滤器，以消除不同阶段的 夹杂物，在不锈钢生产过程中是非常有效的。研究了夹杂物对过滤效果的影响， 使用各种固体添加剂。用铝脱氧，钢的过滤效果是最好的。在获得液压锰酸钾之 前，使钙、硅、锰、铝氧化物，使用金属钢脱氧效果最小。 用铝脱氧的钢是通过热力学预测程度。它减少了总氧含量，因此，显示泡沫陶 瓷过滤器的效果非常好。 研究工作的方向是有更多的耐热性能，可以承受破坏韧性和稳定性的铸造金属 陶瓷。这项研究，由无机材料厚度为50纳米包覆陶瓷过滤器。带二氧化硅涂层表 南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论 6 面的陶瓷过滤器是容易铸造金属浸泡的，不需要对浇注系统有太多的压力或让金 属具有更高的加热温度。过滤流动性不好的铸造金属，基在这个过滤器，可以节 约时间。 更重要的是， 其无机材料包层不会影响过滤器和性能的铸造金属变化34-38。 正如上面提到的过滤器是由氧化铝和二氧化硅涂层厚度为 102 103nm。与没 有覆盖过滤器过滤 16.1 公斤相比，钢覆后过滤器可以过滤 78.6 公斤的金属，可以 获得无渣夹杂的纯净铸件39。 1.5 铸造合金上应用过滤技术的状况 多孔泡沫陶瓷过滤器在天津铸造厂及沈阳铸造厂等单位都进行了实际生产过 程的应用。结果表明，该过滤器可用于黑色金属铸件生产、去除铸造过程中的夹 杂物效果明显，大大提高了铸件产量，但也提高金属微观组织，提高材料的使用 性能，使企业获得良好的经济效益40。 高温陶瓷过滤材料起着重要的作用在金属过滤技术，已经被广泛的认可和应 用，是世界上进展较快，国内发展缓慢，还需要冶金、陶瓷、铸造技术工作者共 同努力，使高温结构陶瓷在现场使用的金属过滤器逐步实现规范化、标准化、商 品化和系列化。 因为铸造合金的特性，决定了浇注铸件必须平稳充填，浇注系统采用泡沫陶 瓷过滤技术可以满足要求。通常采用真空感应熔炼、高温合金金属将包含氧化夹 杂渣和气体。如果我们不采取工艺措施去除氧化物夹杂物和气体，会造成缩松缩 孔、夹渣和气孔等铸造缺陷。 为保证铸件质量，采用泡沫陶瓷过滤技术，不仅增 强浇注系统除渣的能力，而且还减少铸件的缺陷，提高了铸件质量和经济性41-43。 南昌航空大学硕士学位论文第2章procast软件简介及数值模拟基本理论 7 第 2 章procast 软件简介及数值模拟数学物理模型描述 本文采用 procast 数值模拟软件对机匣的充型过程和凝固过程进行模拟，预 测缩松缩孔等铸造缺陷以及氧化夹杂的位置，因此本章主要介绍了仿真软件 procast。 2.1 procast 模拟软件的选用 目前阶段广泛应用的模拟铸造软件有：procast、magmsoft、anycast等， 这些数值模拟软件非常强大，可以进行模拟和分析铸造过程。世界上最著名的仿 真软件procast，其利用仿真有限元的方法，实现了温度场、压力场和流场的完 全耦合，同时也自带一个超级自动划分网格工具，完整的数据接口和大量的材料 数据库。procast同时也具有很多cad接口,它可以兼容很多主流3d软件，如： autocad、ug、solidworks、proengineer和catia等，但也可以直接读入像stl、 parasoilds、igs等格式的数据，其内部有非常强大的自动网格划分工具，可以很容 易地绘制出一个非常复杂铸件的网格，同时还可以依利用参数设置来调整网格密 度。精密铸造模拟软件procast还内置自动生壳工具，可以生活的自动成型壳面 网格。procast也有布尔运算和面网格装配功能，构建网格容易，为后续的模拟 结果与分析提供很好的保障，特别是能直观的显现出机匣的斜支板面等部件上的 各类铸造缺陷，为解决后面方案出现的问题提供预测。综合这些方面，仿真软件 procast完全可以满足的本课题的需求， 并对铸件进行分析和预测， 因此procast 作为本课题所需模拟软件。 2.2 procast 模拟软件的简单概述 procast仿真软件是为评价和优化的铸造产品及技术的一个专业研究和开发 的cae系统，享有很高的声誉在铸造行业。procast软件是铸造行业里领先与其 它铸造过程模拟软件，其具有强大的有限元求解器和高级选项等功能，能提供准 确、有效的解决方法，以满足铸造行业最基本的需求。与传统的一次次尝试，出 错后就一次次的修的方法相比，仿真软件procast可以缩短开发周期，降低生产 成本，提高铸件质量和减少铸造过程中的缩松缩孔等缺陷问题。铸造过程数值模 拟技术是procast软件产生的根本所在。这项技术具有限元数值分析、数据库和可 南昌航空大学硕士学位论文第2章procast软件简介及数值模拟基本理论 8 视化技术，根据流体力学理论、传热理论和金属凝固理论为铸造过程模拟，并且 能够进行热场、流动场以及应力场三者完全藕合的铸造模拟，计算出铸件在充型 凝固过程中的流场、温度场、应力场以及微观结构等信息，实现缺陷及位置的预 测。procast广泛涵盖了多种合金种类与铸造工艺，共包括：消失模铸造、高低 压铸造、连续和半连续铸造、砂型铸造、熔模铸造、型壳铸造44。 2.2.1 procast 软件的主要功能模块简介 procast 软件具有模块化软件系统， 其中包含了工程应用的工具和可扩展的两 大模块， 以满足施工需要的铸造企业的各种困难。 procast 软件共有 8 大模块45-47， 模块的选择可以根据用户可以自己所需要的。对于普通用户，procast 软件的基 本模块，网格划分模块，应力管理模块和流动分析模块这 4 大模块就可以满足他 们的日常工作要求。对于有更高要求的铸造模拟用户则需要有更多功能的模块。 表 2-1 所示其具体的功能模块。 表2-1 procast 软件功能模块 tab.2-1 the functional modules of procast 标准模块 附加模块 高级模块工具模块 基本模块（传热分 析模块） 应力分析模块晶粒结构分析模块 网格生成模块 流体分析模块 辐射分析模块 微观组织分析模块反向求解模块 (1) 基本模块(传热分析模块) 这个模块是为了计算传热，包括所有procast软件之前和之后的处理功能。 传递热量，分别为三种方式：热传导、辐射和对流。procast软件计算金属液相 到固相转变过程中的潜热时会使用热烩方程式，热烩方程式还能解决金属由于温 度梯度所引起的收缩问题，预测铸造缺陷(收缩，收缩)可能的相关位置。一些基本 特征可以通过热分析模块计算得到。 procast还可以使用x射线的方法确定缩孔的 位置，采用缩孔判据或 niyama据也可以进行缩孔和缩松的评估。 (2) 项目管理模块 全新的软件管理系统，可通过此管理系统非常方便地建立和管理项目目录。 在计算过程中可通过此管理系统获得当前的计算状态信息。所有图形用户界面均 基于 tcl/tk 和 opengl 技术。 (3) 流动分析模块 流体分析模块可以模拟所有包括充型在内的液体和固体流动的效应。 procast也可以通过斯托克斯方程的传热和流体流动耦合计算。此外，该流分析 南昌航空大学硕士学位论文第2章procast软件简介及数值模拟基本理论 9 可以模拟湍流流动，流动的触变行为和多孔介质泡沫陶瓷过滤器，同时还可以模 拟注塑工艺。 (4) 应力分析模块 在铸造生产，由于铸件工艺处理不当、零件结构和其他原因，很容易引起铸 件开裂，同时，它将存在于当地大的残余应力和残余变形。procast 软件分析模 块也可以完全热、流场、应力场的耦合计算，它显示了三个由于铸造收缩变形的 铸造和模具间隙的确定、因为这差距进一步影响到铸造模具的热节凝固和冷却时 间。 (5) 微观组织分析模块 procast 软件中有微观组织确定性分析方法，并且能准确预测各种转变，例 如铸铁和铸钢各相的形成和转变。典型的确定性分析模型包括如下几种：平均枝 晶间距、晶粒尺寸、相分数、石数量墨和平均成分。可以通过微观结构模型所提 供的抗拉强度、屈服强度、延展率和硬度等信息对铸造过程中铸件的一些机械性 能进行预测。procast 还拥有 pseudo-front 追踪模型以及先进的相场，为所选铸 造区域的晶粒提供形态转变和显微偏析状态。 (6)网格生成模块 meshcast meshcast自动产生有限元网格。这个模块与商业化cad的连接是天衣无缝 的。它将设计阶段与仿真阶段，能够快速高效地完成制备新颖的设计、快速、准 确的计算。它的主要特点是：标准的cad / cae 通过iges文件，parasoild格式导 入；网格生成速度很快；直接有限元网格导入；高质量的网格质量和质量检验； 处理复杂的几何模型和多种材料；确保流动分析网格要求；自动