20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，國(guó)外一大批商業(yè)化鑄造過(guò)程數(shù)值模擬軟件的出現(xiàn)， 標(biāo)志著此項(xiàng)技術(shù) 已完全成熟并進(jìn)入實(shí)用化階段， 有相當(dāng)一部分已成功地用于熔模鑄造。其中， AFSolid (3D) (美 國(guó)) , PASSAGF/POWERCAST (美國(guó)) 、MAGMA (德國(guó)) 、PAM-CAST (法國(guó)) 、ProCAST (美國(guó)) 等最具代表性。尤其值得一提的是由美國(guó) UES 公司開(kāi)發(fā)的 ProCAST，和美國(guó)鑄造師 協(xié)會(huì)(American Foundrymen's Society)開(kāi)發(fā)的 AFSolid(3D)，它們代表了二種不同類型的軟件系 統(tǒng)。
一. 熔模精密鑄造過(guò)程數(shù)值模擬的佼佼者——ProCAST
早在 1985 年，美國(guó) UES Software Co.便以工程工作站/Unix 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，著手開(kāi)發(fā) ProCAST[1]。為了保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，ProCAST 一開(kāi)始就采用有限元方法(FEM)作為模擬 的核心技術(shù)。自 1987 年起，開(kāi)發(fā)用于熔模鑄造(精鑄) 的專業(yè)模塊。1990 年后， 位于瑞士洛 桑的 Calcom SA 和瑞士聯(lián)邦科技研究院也參加 ProCAST 部分模塊的開(kāi)發(fā)工作。2002 年， UES Software 和Calcom SA 先后加盟 ESI 集團(tuán)(法國(guó)) 。通過(guò)整合，ESI 集團(tuán)在虛擬制造領(lǐng)域的領(lǐng) 先地位進(jìn)一步增強(qiáng)。
現(xiàn)在， ProCAST 也有微機(jī)/Windows 或 Windows NT 版本。三維幾何造型模塊支持 IGES 、 STEP 、STL 或 Parasolids 等標(biāo)準(zhǔn)的 CAD 文件格式。Meshcast 模塊能自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。它 的凝固分析模塊可以準(zhǔn)確計(jì)算和顯示合金液在凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)、凝固時(shí)間，以及固相率變化， 同時(shí)， 從孤立液相區(qū)、縮孔／縮松體積分?jǐn)?shù)、縮孔／縮松 Nyiama (新山英輔) 判據(jù)等三方面， 幫助鑄造工程師分析判斷縮孔／縮松產(chǎn)生的可能性和具體位置(見(jiàn)圖 11-1) 。針對(duì)熔模鑄造熱 殼澆注的特點(diǎn)，ProCAST 傳熱分析模塊考慮到熱輻射對(duì)溫度場(chǎng)和鑄件凝固過(guò)程的影響, 這對(duì)于 經(jīng)常需要處理熱輻射問(wèn)題的熔模鑄造而言特別重要。例如，對(duì)不銹鋼人體植入物的凝固過(guò)程進(jìn) 行模擬時(shí)， 發(fā)現(xiàn)位于模組中部的鑄件由于接收到的輻射熱比周邊鑄件多，因而溫度偏高，不利 于鑄件順序凝固，容易產(chǎn)生縮孔、縮松。特別值得一提的是，ProCAST 特有的輻射分析模塊， 計(jì)及輻射線入射角和遮擋物的影響，模擬對(duì)象一旦因相互運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致輻射線入射角改變或產(chǎn)生遮 擋, 該軟件將重新自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，特別適用于定向凝固和單晶鑄造。
自 1992 年起， ProCAST 的流動(dòng)分析模塊便能通過(guò) Navier-Stocks 流動(dòng)方程進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算， 同時(shí)與傳熱過(guò)程耦合(圖 11-3) 。不僅模擬金屬液的充型過(guò)程和狀態(tài)，同時(shí)還將溫度場(chǎng)變化顯 示出來(lái)，預(yù)測(cè)冷隔和澆不到等鑄造缺陷(圖 11-4) [2]。此外，它還可以模擬流體通過(guò)多孔介質(zhì)(例 如陶瓷過(guò)濾器)的流動(dòng)狀態(tài)，預(yù)測(cè)放置過(guò)濾器后可能出現(xiàn)的倒流、噎流等現(xiàn)象(圖 11-5)。此外， 該軟件的又一特色是，流動(dòng)分析模塊中，可以對(duì)諸如精鑄模料在內(nèi)的非牛頓流體的充型行為進(jìn) 行模擬(圖 11-6) 。
1994 年美國(guó)國(guó)家航空航天總局(NASA)在調(diào)查評(píng)估的基礎(chǔ)上推薦該軟件為美國(guó)航空航天 領(lǐng)域鑄造過(guò)程 CAE 的首選軟件。其后，包括美國(guó) Howmet 、Pratt & Whitney、PPC 、GEAE 以 及英國(guó)Rolls-Royce 等世界著名航空航天精鑄企業(yè)紛紛選擇ProCAST 作為鑄造工藝分析和新產(chǎn) 品開(kāi)發(fā)的重要工具。
圖 11-8 所示為 ProCAST 新近發(fā)布的對(duì)整鑄渦輪殘留應(yīng)力模擬和裂紋預(yù)測(cè)結(jié)果。
ProCAST 2004 公布的對(duì)鋁-鎂合金晶間疏松(圖 11-7) 、整鑄渦輪鑄造晶粒結(jié)構(gòu)模擬(圖 11-9) ，和空心單晶葉片晶體生長(zhǎng)過(guò)程的模擬結(jié)果(圖 11-10) ，標(biāo)志著該軟件已經(jīng)將鑄造 晶粒組織和微觀結(jié)構(gòu)模擬提升到一個(gè)新水平。
二．充型-凝固過(guò)程模擬和澆道優(yōu)化設(shè)計(jì)一步完成
AFSolid 開(kāi)發(fā)始于 1985 年，它最初是以微機(jī)/DOS 為平臺(tái)的一套二維系統(tǒng)，1993 年后升級(jí) 為三維。三維幾何造型模塊支持 AutoCAD 以及 IGES、STL 和 DXF 等幾何圖形文件格式。計(jì)算方 法采用有限差分法。流動(dòng)和傳熱計(jì)算進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，可以說(shuō)是一種簡(jiǎn)化版的模擬軟件， 適用于包括砂型、熔模、金屬型、壓力鑄造等在內(nèi)的多種鑄造方法。其功能雖不能和 ProCAST 等高檔軟件相提并論，但價(jià)格便宜， 目前在全球 40 多個(gè)國(guó)家擁有 410 多家用戶，其銷售量號(hào) 稱世界之最，用戶大多為生產(chǎn)商業(yè)鑄件的中小型精鑄廠。近來(lái)，美國(guó) Finite Solutions Co. 與美國(guó)鑄造師協(xié)會(huì)合作，將多變量?jī)?yōu)化運(yùn)算軟件鏈接到 AFSolid 凝固模擬軟件中， 使凝固過(guò)程 模擬與工藝優(yōu)化一步完成，模擬的工作效率大為提高。
眾所周知，僅僅通過(guò)一次模擬，其結(jié)果往往很難令人滿意， 所以工程技術(shù)人員就必須根 據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)首次模擬結(jié)果進(jìn)行分析，修改工藝方案和設(shè)計(jì)， 再進(jìn)行下一輪模擬， 經(jīng) 過(guò)反復(fù)多次模擬和修改， 最終才能獲得滿意的工藝方案或參數(shù)?？梢?jiàn)， 這種方法其實(shí)是用計(jì)算 機(jī)試錯(cuò)法來(lái)代替生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的試錯(cuò)法。當(dāng)然效率明顯提高， 也降低了成本。但是， 計(jì)算機(jī)反復(fù)試 錯(cuò)， 也需要耗費(fèi)較多的機(jī)時(shí)。針對(duì)這一問(wèn)題，美國(guó) Finite Solutions Co. 提出將多變量?jī)?yōu)化運(yùn)算 軟件鏈接到 AFSolid 凝固模擬軟件中，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)， 使模擬與優(yōu)化一步完成， 從而使計(jì)算機(jī) 模擬的效率大為提高。
其實(shí)， 目前已經(jīng)有不少現(xiàn)成的商業(yè)軟件可用來(lái)進(jìn)行工程問(wèn)題的優(yōu)化運(yùn)算。Finite Solutions Co.從中選擇了當(dāng)前流行于汽車(chē)零部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的HyperOpt (開(kāi)發(fā)商:Altair Engineering Inc.)。
優(yōu)化運(yùn)算通常要求有三個(gè)前提: 即設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。
設(shè)計(jì)變量是指具體的設(shè)計(jì)特征，可以是幾何特征，如冒口直徑、高度，橫澆道和內(nèi)澆道 尺寸等，也可以是工藝參數(shù)，如澆注溫度、型殼焙燒溫度等。設(shè)定設(shè)計(jì)變量時(shí)需要給出最大、 最小和正常值。
約束條件是指工藝條件的上限和下限。約束可被指定為一個(gè)最小值(所得的最終結(jié)果數(shù)值 應(yīng)等于或大于給定的約束值)或最大值(所得的最終結(jié)果數(shù)值應(yīng)等于或小于給定的約束值)。每一 次優(yōu)化運(yùn)算，可以指定一個(gè)或多個(gè)約束，例如約束可以是允許存在的最大的疏松級(jí)別或可以接 受的最低的工藝出品率等。
目標(biāo)函數(shù)是指預(yù)期目標(biāo)。用戶只能選擇一個(gè)目標(biāo)函數(shù)并指定該函數(shù)的最佳值(最大或最小 值)。例如如果以縮孔縮松程度為目標(biāo)函數(shù)，此時(shí)最小值為最佳；如果選擇工藝出品率作為目 標(biāo)函數(shù)，當(dāng)然最大值最佳。值得強(qiáng)調(diào)指出的是，每一次優(yōu)化運(yùn)算， 只能指定一個(gè)目標(biāo)函數(shù)。
模擬-優(yōu)化運(yùn)算步驟下:
首先建立一個(gè)初始的工藝設(shè)計(jì)，包括澆注補(bǔ)縮系統(tǒng)和鑄件的三維幾何模型和所有相關(guān)材 料的數(shù)據(jù)；然后選擇設(shè)計(jì)變量、約束和目標(biāo)函數(shù)； 再啟動(dòng)軟件自動(dòng)進(jìn)行模擬-優(yōu)化運(yùn)算，計(jì)算 機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不斷按原先設(shè)定， 自動(dòng)更改設(shè)計(jì)變量， 檢查是否違反了約束條件，搜索并確定目 標(biāo)函數(shù)最佳值。
從縮短模擬計(jì)算時(shí)間的角度考慮，計(jì)算方法采用有限差分比有限元法更為有利。而AFSolid 的計(jì)算方法正是采用有限差分法，所以運(yùn)算速度快。例如對(duì)一個(gè)需要上百萬(wàn)甚至更多單元才能 準(zhǔn)確表達(dá)清楚的復(fù)雜鑄件，在目前新型的個(gè)人電腦上進(jìn)行一次模擬計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間還不到 30min。需要進(jìn)行16次連續(xù)模擬的優(yōu)化運(yùn)算也只要一天就輕松地完成了。而采用某些其它軟件 進(jìn)行類似的工作往往需要幾周時(shí)間。
應(yīng)用實(shí)例 —— 不銹鋼精鑄接頭重 13.2 磅。圖 11- 11a 所示為原始鑄造方案。由圖 11- 11b 所示凝固時(shí)間模擬結(jié)果可見(jiàn)，其頂部紅色部位正處在橫澆道下方，受橫澆道高溫區(qū)熱輻射影響 冷卻慢，得不到有效地補(bǔ)縮，容易產(chǎn)生縮松。
更改設(shè)計(jì)變量包括內(nèi)澆道尺寸(只改動(dòng)水平方向尺寸，圖 11- 12 上)和橫澆道尺寸(水平和垂 直方向尺寸同時(shí)改動(dòng)，圖 11- 12 下)，總共更改 3 個(gè)設(shè)計(jì)變量； 以鑄件材質(zhì)密度最小值為健全 鑄件的 99.8%作為約束條件(即疏松度最大值為 0.2%)；以工藝出品率最大為目標(biāo)函數(shù)。然后進(jìn) 行包含 15 次模擬(含充型分析)的模擬-優(yōu)化運(yùn)算。在 Pentium III- 1GHz 微機(jī)上運(yùn)行只需 1 小時(shí) 零 7 分鐘。每完成一次模擬， 系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)更改澆道尺寸，同時(shí)， 進(jìn)行網(wǎng)格剖分， 建立新的型 殼幾何模型，應(yīng)用熱輻射觀察因子計(jì)算型殼溫度場(chǎng)。
采用經(jīng)模擬-優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)后(圖 11- 13 上)，縮孔已從鑄件中被排除到澆道中(圖 11- 13 下)，縮松減少 50%以上。對(duì)比圖 11- 11a 和圖 11- 13 上，內(nèi)澆道減小為原先的 85%，而橫澆道
水平和垂直尺寸分別減小到為原先的 53%和 86%，澆注系統(tǒng)總重量減少了 6.75kg，工藝出品 率由 30%增加到 46%。按每年生產(chǎn)鑄件 2500 件計(jì)，每年節(jié)省金屬材料費(fèi)用37500 美元， 省電 16500 kW ·h。
三．當(dāng)前推廣應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)存在的問(wèn)題
1 ． 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)匱乏
數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)匱乏是當(dāng)前熔模鑄造過(guò)程仿真技術(shù)普遍存在的問(wèn)題。某些材料(例如特殊合 金材料和某些型殼材料) 的熱物理性能數(shù)據(jù)， 尤其是界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，很難尋覓。國(guó)內(nèi)情況就更 為嚴(yán)重，各種合金和型殼材料的熱物理性能數(shù)據(jù)幾乎全部來(lái)自國(guó)外文獻(xiàn)資料。真正按照國(guó)內(nèi)材 料和工藝， 由實(shí)驗(yàn)方法實(shí)際測(cè)出的數(shù)據(jù)可以說(shuō)是一片空白，這不能不說(shuō)是一個(gè)很大的缺憾。對(duì) 比國(guó)外， 早在 1978 年,美國(guó)精鑄年會(huì)上發(fā)表的題為“Factors Affecting The Solidification of Investment casting”、“Fundamentals of Solidification”和 Arizona 大學(xué)長(zhǎng)達(dá) 100 頁(yè)的長(zhǎng)篇論文 “The Thermal Conductivity of Shell Investment Materials ”， 為建立熔模鑄造過(guò)程仿真所需的 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而 ProCAST 除內(nèi)含基本的材料性能數(shù)據(jù)庫(kù)外，還擁有獨(dú)特的 合金熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)。它以新興的計(jì)算材料學(xué)為基礎(chǔ)，由英國(guó)的 ThermoTech 公司開(kāi)發(fā)。利用這 個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶只需輸入合金化學(xué)成分，計(jì)算機(jī)便可自動(dòng)求算出液、固相線溫度、凝固 潛熱、比熱容和合金密度隨溫度的變化等熱物理性能參數(shù)。
2 ． 圖形數(shù)據(jù)文件標(biāo)準(zhǔn)化和相互交流
CAD 數(shù)據(jù)文件的轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)化也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。不同國(guó)家、地區(qū)、部門(mén)，不同廠 家和單位，使用的 CAD 軟件不盡相同。不同類型的 CAD、CAM、CAE(例如鑄造過(guò)程數(shù)值模擬)以 及快速成形機(jī)，也都有各自支持的 CAD 文件格式。如果這些 CAD 文件相互之間不能轉(zhuǎn)換和交流， 那么信息時(shí)代和經(jīng)濟(jì)全球化的優(yōu)勢(shì)就難以發(fā)揮，工作效率也將大打折扣。
不同 CAD 軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通常有二種方法，即直接通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(模塊) 和通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件交換格式轉(zhuǎn)換。
通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(模塊) 轉(zhuǎn)換 如果 CAD 軟件中有現(xiàn)成的轉(zhuǎn)換器(模塊)， 就可以直 接用它來(lái)實(shí)現(xiàn)不同類型文件相互轉(zhuǎn)換。這種方法的局限性是不同 CAD 軟件，甚至不同 版本，往往需要不同的轉(zhuǎn)換器。相對(duì)目前流行的 CAD 版本而言，這種方法不免有相形 見(jiàn)拙之感。一些較新版本的 CAD 軟件也可通過(guò) ‘文件’－‘輸入’／‘輸出’來(lái)轉(zhuǎn) 換文件類型和格式。
通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換 新建的 CAD 文件完成后， 只需將它另存為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)
文件交換格式，即可方便地與其它 CAD 軟件進(jìn)行交流。 常用的標(biāo)準(zhǔn) CAD 數(shù)據(jù)文件交 換格式有 IGES (International Graphics Exchange Standard) 、STEP (Standard for Translation of Electronic Products) 、STL 和 Parasolid 。IGES 是一個(gè)比較老的工程圖形 文件轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)格式， 由于它對(duì)處理二維圖形也有效，所以，目前仍有應(yīng)用。 STEP 是 一種 ISO 標(biāo)準(zhǔn)(10303)。它是專門(mén)為轉(zhuǎn)換三維實(shí)體模型和相關(guān)數(shù)據(jù)而開(kāi)發(fā)的。它還可 以轉(zhuǎn)換某些非幾何特征數(shù)據(jù)， 例如圖層、顏色、尺寸、附注等。當(dāng)前， 實(shí)現(xiàn) CAD 數(shù)據(jù) 文件交換， 建議最好選用 STEP 和 Parasolid 這二種格式， 以減少轉(zhuǎn)換過(guò)程中數(shù)據(jù)丟 失和缺損。在和快速成形機(jī)進(jìn)行交流時(shí)， 則是以輸出 STL 格式文件為佳。
3． 相關(guān)人員技術(shù)水平和素質(zhì)
要提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性、可靠性和工作效率，從事此項(xiàng)工作的技術(shù)人員不僅需要具備操 作計(jì)算機(jī)的基本知識(shí)和技能， 熟練掌握三維 CAD 造型及有關(guān)模擬軟件， 同時(shí)， 還需要深入理解 與數(shù)值模擬相關(guān)的物理概念，特別是需要有相當(dāng)豐富的精鑄工藝實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 以便正確設(shè)置初始 條件、邊界條件， 分析模擬結(jié)果，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。
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