ProCAST 軟件是由美國 USE 公司開發(fā)的鑄造過程的模擬軟件采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計算和綜合求解的方法,對鑄件充型,、凝固和冷卻過程等提供模擬,，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業(yè)富有挑戰(zhàn)的需求?；趶?qiáng)大的有限元分析,，它能夠預(yù)測嚴(yán)重畸變和殘余應(yīng)力，并能用于半固態(tài)成形,，吹芯工藝,，離心鑄造，消失模鑄造,、連續(xù)鑄造等特殊工藝,。

適用范圍

ProCAST適用于砂型鑄造、消失模鑄造,、高壓鑄造,、低壓鑄造、重力鑄造,、

傾斜澆鑄,、熔模鑄造、殼型鑄造,、擠壓鑄造,、觸變鑄造、觸變成形,、流變鑄造,。由于采用了標(biāo)準(zhǔn)化、通用的用戶界面,，任何一種鑄造過程都可以用同一軟件包ProCAST進(jìn)行分析和優(yōu)化,。它可以用來研究設(shè)計結(jié)果，例如澆注系統(tǒng),、通氣孔和溢流孔的位置,，冒口的位置和大小等。實踐證明,，ProCAST可以準(zhǔn)確地模擬型腔的澆注過程,，精確地描述凝固過程,?？梢跃_地計算冷卻或加熱通道的位置以及加熱冒口的使用。

材料數(shù)據(jù)庫

ProCAST可以用來模擬任何合金,，從鋼和鐵到鋁基,、鈷基,、銅基、鎂基,、鎳基,、鈦基和鋅基合金，以及非傳統(tǒng)合金和聚合體,。ESI旗下的熱物理仿真研究開發(fā)隊伍匯集了全球頂尖的五十多位冶金,、鑄造、物理,、數(shù)學(xué),、計算力學(xué)、流體力學(xué)和計算機(jī)等多學(xué)科的專家,，專業(yè)從事ProCAST和相關(guān)熱物理模擬產(chǎn)品的開發(fā),。得益于長期的聯(lián)合研究和工業(yè)驗證，使得通過工業(yè)驗證的材料數(shù)據(jù)庫不斷地擴(kuò)充和更新,，同時,，用戶本身也可以自行更新和擴(kuò)展材料數(shù)據(jù)。除了基本的材料數(shù)據(jù)庫外,，ProCAST還擁有基本合金系統(tǒng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫,。這個獨特的數(shù)據(jù)庫使得用戶可以直接輸入化學(xué)成分，從而自動產(chǎn)生諸如液相線溫度,、固相線溫度,、潛熱、比熱和固相率的變化等熱力學(xué)參數(shù),。

模擬分析能力

ProCAST可以分析縮孔,、裂紋、裹氣,、沖砂,、冷隔、澆不足,、應(yīng)力,、變形、模具壽命,、工藝開發(fā)及可重復(fù)性,。ProCAST幾乎可以模擬分析任何鑄造生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，為鑄造工程師提供新的途徑來研究鑄造過程,，使他們有機(jī)會看到型腔內(nèi)所發(fā)生的一切,，從而產(chǎn)生新的設(shè)計方案。其結(jié)果也可以在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中顯示,，這樣對比較復(fù)雜的鑄造過程能夠通過網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論和研究,。

分析模塊

ProCAST是針對鑄造過程進(jìn)行流動一傳熱一應(yīng)力耦合作出分析的系統(tǒng),。它主要由8個模塊組成：有限元網(wǎng)格劃分MeshCAST基本模塊、傳熱分析及前后處理(Base License),、流動分析(Fluid flow),、應(yīng)力分析(Stress)、熱輻射分析(Radiation),、顯微組織分析(Micromodel),、電磁感應(yīng)分析(Electromagnetics)、反向求解(Inverse),，這些模塊既可以一起使用,，也可以根據(jù)用戶需要有選擇地使用。對于普通用戶,，ProCAST應(yīng)有基本模塊,、流動分析模塊、應(yīng)力分析模塊和網(wǎng)格劃分模塊,。

1)傳熱分析模塊

本模塊進(jìn)行傳熱計算,，并包括ProCAST的所有前后處理功能。傳熱包括傳導(dǎo),、對流和輻射,。使用熱焓方程計算液固相變過程中的潛熱。ProCAST的前處理用于設(shè)定各種初始和邊界條件,，可以準(zhǔn)確設(shè)定所有已知的鑄造工藝的邊界和初始條件,。鑄造的物理過程就是通過這些初始條件和邊界條件為計算機(jī)系統(tǒng)所認(rèn)知的。邊界條件可以是常數(shù),，也可以是時間或溫度的函數(shù),。ProCAST配備了功能強(qiáng)大而靈活的后處理，與其他模擬軟件一樣,，它可以顯示溫度,、壓力和速度場，又可以將這些信息與應(yīng)力和變形同時顯示,。不僅如此,，ProCAST還可以使用x射線確定縮孔的存在和位置，采用縮孔判據(jù)或Niyama判據(jù)也可以進(jìn)行縮孔和縮松的評估,。ProCAST還能顯示紊流,、熱輻射通量、固相分?jǐn)?shù),、補(bǔ)縮長度,、凝固速度、冷卻速度,，溫度梯度等,。

2)流體分析模塊

流體分析模塊可以模擬包括充型在內(nèi)的所有液體和固體流動的效應(yīng),。ProCAST通過完全的Navier—Stocks流動方程對流體流動和傳熱進(jìn)行耦合計算,。本模塊中還包括非牛頓流體的分析計算,。此外，流動分析可以模擬紊流,、觸變行為及多孔介質(zhì)流動(如過濾網(wǎng)),，也可以模擬注塑過程。流動分析模塊包括以下求解模型：Navier—Stokes流動方程,，自由表面的非穩(wěn)態(tài)充型,，氣體模型(用以分析充型中的囊氣、壓鑄和金屬型主宰的排氣塞,、砂型透氣性對充型過程的影響以及模擬低壓鑄造過程的充型),，濾模型(分析過濾網(wǎng)的熱物性和透過率對充型的影響，以及金屬在過濾網(wǎng)中的壓頭損失和能量損失,，粒子軌跡模型跟蹤夾雜物的運動軌跡及最終位置),，牛頓流體模型(以Carreau．Yasuda冪律模型來模擬塑料、蠟料,、粉末等的充型過程),，紊流模型(用以模擬高壓壓力鑄造條件下的高速流動)，消失模模型(分析泡沫材料的性質(zhì)和燃燒時產(chǎn)生的氣體,、金屬液前沿的熱量損失,、背壓和鑄型的透氣性對消失模鑄造充型過程的影響規(guī)律)，傾斜澆注模型(用以模擬離心鑄造和傾斜澆注時金屬的充型過程),。從以上列出的流動分析模型可知,，在模擬金屬充型方面ProCAST提供了強(qiáng)大的功能。

3)應(yīng)力分析模塊

本模塊可以進(jìn)行完整的熱,、流場和應(yīng)力的耦合計算,。應(yīng)力分析模塊用以模擬計算領(lǐng)域中的熱應(yīng)力分布，包括鑄件鑄型型芯和冷鐵等,。采用應(yīng)力分析模塊可以分析出殘余應(yīng)力,、塑性變形、熱裂和鑄件最終形狀等,。應(yīng)力分析模塊包括的求解模型有6種：線性應(yīng)力,，塑性、粘塑性模型,，鑄件,、鑄型界面的機(jī)械接觸模型，鑄件疲勞預(yù)測,，殘余應(yīng)力分析,，最終鑄件形狀預(yù)測,。

4)輻射分析模塊

本模塊大大加強(qiáng)了基本模塊中關(guān)于輻射計算的功能。專門用于精確處理單晶鑄造,、熔模鑄造過程熱輻射的計算,。特別適用于高溫合金如鐵基或鎳基合金。此模塊被廣泛用于渦輪葉片的生產(chǎn)模擬,。該模塊采用全新的“灰體凈輻射法”計算熱輻射自動計算視角因子,、考慮陰影效應(yīng)等，并提供了能夠考慮單晶鑄造移動邊界問題的功能,。此模塊還可以用來處理連續(xù)性鑄造的熱輻射,，工件在熱處理爐中的加熱以及焊接等方面的問題。

5)顯微組織分析模塊

顯微組織分析模塊將鑄件中任何位置的熱經(jīng)歷與晶體的形核和長大相聯(lián)系,，從而模擬出鑄件各部位的顯微組織,。ProCAST中所包括的顯微組織模型有通用型模型，包括等軸晶模型,、包晶和共晶轉(zhuǎn)變模型,，將這幾種模型相結(jié)合就可以處理任何合金系統(tǒng)的顯微組織模擬問題。ProCAST使用全新的晶粒結(jié)構(gòu)分析預(yù)測模型進(jìn)行柱狀晶和軸狀晶的形核與成長模擬,。一旦液體中的過冷度達(dá)到一定程度,，隨機(jī)模型就會確定新的晶粒的位置和晶粒的取向。該模塊可以用來確定工藝參數(shù)對晶粒形貌和柱狀晶到軸狀晶的轉(zhuǎn)變的影響,。Fe—C合金專用模型：包括共晶/共析球墨鑄鐵,、共晶/共析灰El/白口鑄鐵、Fe—C合金固態(tài)相變模型等,。運用這些模型能夠定性和定量地計算固相轉(zhuǎn)變,、各相如奧氏體、鐵素體,、滲碳體和珠光體的成分,、多少以及相應(yīng)的潛熱釋放。

6)電磁感應(yīng)分析模塊

電磁感應(yīng)分析模塊主要用來分析鑄造過程中涉及的感應(yīng)加熱和電磁攪拌等問題,，如半固態(tài)成形過程中的用電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料及半固態(tài)觸變成形過程中用感應(yīng)加熱重熔半固態(tài)坯料,。這些過程都可以用ProCAST對熱流動電磁場進(jìn)行綜合計算和分析。

7)網(wǎng)格生成模塊

MeshCAST自動產(chǎn)生有限元網(wǎng)格,。這個模塊與商業(yè)化CAD軟件的連接是天衣無縫的,。它可以讀入標(biāo)準(zhǔn)的CAD文件格式如IGES，Step,，STL或者Parsolids,。同時還可以讀諸如I-DEAS，Patran，Ansys,，ARIES或ANVIL格式的表面或三維體網(wǎng)格,，也可以直接和ESI的PAMSYS．TEM和GEOMESH無縫連接。MeshcastTM同時擁有獨一無二的其他性能,，如初級CAD工具,、高級修復(fù)工具、不一致網(wǎng)格的生成和殼型網(wǎng)格的生成等,。

8)反向求解模塊

本模塊適用于科研或高級模擬計算之用,。通過反算求解可以確定邊界條件和材料的熱物理性能,，雖然ProCAST提供了一系列可靠的邊界條件和材料的熱物理性能,，但有時模擬計算對這些數(shù)據(jù)有更高的精度要求，這時反算求解可以利用實際的測試溫度數(shù)據(jù)來確定邊界條件和材料的熱物理性能,，以超大限度地提高模擬結(jié)果的可靠性,。在實際應(yīng)用技術(shù)中首先對鑄件或鑄型的一些關(guān)鍵部位進(jìn)行測溫，然后將測溫結(jié)果作為輸入量通過ProCAST反向求解模塊對材料的熱物理性能和邊界條件進(jìn)行逐步迭代,，使技術(shù)的溫度/時間曲線和實測曲線吻合,，從而獲得精確計算所需要的邊界條件和材料熱物理I生能數(shù)據(jù)。

ProCAST特點

ProCAST采用基于有限元法(FEM)的數(shù)值計算方法與有限差分(FDM)相比,，有限元法具有較大的靈活性,，特別適用于模擬復(fù)雜鑄件成形過程中的各種物理現(xiàn)象。有限元法的優(yōu)點可以歸納如下：

①好的幾何描述能力,。FEM可以精確描述曲面,，而FDM只能以階梯形簡化描述曲面。
②建模過程中如需局部網(wǎng)格細(xì)化,，有限元網(wǎng)格無須像有限差分法那樣把細(xì)化影響到整修模型,，這樣使FEM的單元和節(jié)點數(shù)明顯少于FDM。
③以彈性,、彈塑性,、彈粘塑性模型進(jìn)行應(yīng)力和熱的耦合分析時，只能采用有限元法,。有限差分法由于網(wǎng)格不能變形而不能進(jìn)行應(yīng)力分析,。
④在處理和充型方向相平行的曲面時，由于有限元法能夠精確描述曲面邊界,，因而能準(zhǔn)確模擬鑄件充型的流場,；而有限差分法在描述鑄件曲面邊界時，由于斷面成鋸齒狀而造成較大的偏差,。
⑤在精確處理輻射傳熱問題時,，視角系數(shù)和陰影效果的計算，要求準(zhǔn)確地描述外表面及相應(yīng)方位。因此,，F(xiàn)DM無法處理復(fù)雜的輻射問題,。

ProCAST作為針對鑄造過程進(jìn)行流動一傳熱一應(yīng)力耦合求解的軟件包，能夠模擬鑄造過程中絕大多數(shù)問題和許多物理現(xiàn)象,。在鑄造過程分析方面,，ProCAST提供了能夠考慮氣體、過濾,、高壓,、旋轉(zhuǎn)等對鑄件充型的影響；能夠模擬出氣化模鑄造,、低壓鑄造,、壓力鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過程,，并能對注塑,、壓制臘模、壓制粉末等的充型過程進(jìn)行模擬,。

在傳熱分析方面,，ProCAST能夠?qū)醾鲗?dǎo)、對流和輻射等3種傳熱方式進(jìn)行求解,，尤其是引入全新“灰體凈輻射法”模型,，使ProCAST擅長于解決精鑄及單晶鑄造問題。

在應(yīng)力分析方面,，通過采用彈塑性和粘塑性及獨有的處理鑄件/鑄型熱和機(jī)械接觸界面的方法,，使其具有分析鑄件應(yīng)力、變形的能力,。

在電磁分析方面,，ProCAST可以分析鑄造過程所涉及的感應(yīng)加熱和電磁攪拌等。

以上的分析可以獲得鑄造過程中的各種現(xiàn)象,、鑄造缺陷形成及分布鑄件最終質(zhì)量的模擬和預(yù)測,。

ProCAST以模擬鑄造過程的基本功能劃分模塊，而不以鑄造方法進(jìn)行模塊劃分,。各模塊根據(jù)可靠數(shù)據(jù)不僅能模擬鑄造過程,，還能夠模擬出熱處理和焊接等方面的問題。這極大地方便了用戶,，使用戶可以靈活地應(yīng)用軟件解決多種工藝問題,。

ProCAST的前后處理完全基于OSF/Motif的ProCAST的用戶界面。通過提供交互菜單數(shù)據(jù)庫和多種對話框完成用戶信息的輸入,。ProCAST具有全面的在線幫助,，具有良好的用戶界面,。ProCAST通過提供與通用機(jī)械CAD系統(tǒng)的接口，直接獲取鑄件實體模型的IGES文件或通用CAE系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格文件,。

ProCAST還可以將模擬結(jié)果直接輸出到CAD系統(tǒng)接口,，尤其可以通過I-DEAS直接讀取ProCAST結(jié)果文件。這使得ProCAST極易與具有設(shè)計加工功能的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)相集成,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,，大幅度提高鑄造生產(chǎn)率。ProCAST可運行于WindowsNT,，Windows2000,，WindowsXP，Linux和UNIX平臺,，對硬件沒有特殊要求,。同時，ProCAST也可運行于矢量計算機(jī)上和進(jìn)行并行處理,。ProCAST采用TK/TCL跨平臺語言,，所有平臺的升級均同時進(jìn)行,，無須任何第三方軟件支持,。

模擬過程

1)創(chuàng)建模型可以分別用IDEAS，UG,，PATRAN,，ANSYS作為前處理軟件創(chuàng)建模型，輸出ProCAST可接受的模型或網(wǎng)格格式的文件,。

2)MeshCAST對輸入的模型或網(wǎng)格文件進(jìn)行剖分,，最終產(chǎn)生四面體網(wǎng)格，生成XX．mesh文件,，文件中包含節(jié)點數(shù)量,、單元數(shù)量、材料數(shù)量等信息,。

3)PreCAST分配材料,、設(shè)定界面條件、邊界條件,、初始條件,、模擬參數(shù)，生成xxd．dat文件和xxp．dat文件,。4)DataCAST檢查模型及PreCAST中對模型的定義是否有錯誤,，若有錯誤則輸出錯誤信息，若無錯誤則將所有模型的信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制,，生成xx．unf文件,。

4)ProCAST對鑄造過程模擬分析計算，生成XX．unf文件。

5)ViewCAST顯示鑄造過程模擬分析結(jié)果,。(Z)PostCAST對鑄造過程模擬分析結(jié)果進(jìn)行后處理,。