4.2.1 ProCAST软件
为了保证模拟的精度，ProCAST一开始就采用有限元方法作为模拟的技术核心。1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA公司和瑞士联邦科技研究院也加入了ProCAST部分模块的开发工作，基于其强大的材料物理背景，Calcom SA在ProCAST的晶粒计算模块和反求模块开发上取得许多进展。2002年，ProCAST和Calcom SA先后加入ESI集团，并重新组建为ProCAST Inc.（美国马里兰州）和Calcom ESI（瑞士洛桑）。软件的核心部分还由美国原班人马开发，前后处理模块在法国完成。ESI重新整合了其原有的热物理模拟队伍如PAM⁃CAST和SYSWELD，这样ProCAST（有限元铸造仿真）、PAM⁃CAST（有限差分铸造仿真）、Calcosoft（连续铸造仿真）和SYSWELD（热处理与焊接模拟）一起组成ESI完整的热物理综合解决方案，经过多年开发完善已经发展到ProCAST 2010版。
1.ProCAST软件概述
ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造、高压铸造、低压铸造、重力铸造、倾斜浇注、熔模铸造、壳形铸造、挤压铸造、触变铸造、触变成型和流变铸造等。
ProCAST可以用来指导设计，如浇注系统、通气孔和溢流系统的位置，冒口的位置和大小等。可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，可以计算冷却或加热通道的位置及加热冒口的使用。
ProCAST开发了包括金属材料、各种型砂和精铸的壳型材料等材料数据库，这些数据库有开放的平台，用户可以对其进行更新和扩展。此外ProCAST还拥有基本合金系统的热力学数据库，这个独特的数据库根据用户直接输入的化学成分，自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热容和固相率的变化等热力学参数。此数据库由英国的ThermoTech公司开发，也是ProCAST独有的亮点。ProCAST可以用来模拟任何合金，从钢、铁到铝基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。
ProCAST还可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发及可重复性等。
2.ProCAST软件的模块设置
ProCAST软件对铸造过程的流动、传热和应力耦合等进行模拟分析，主要由八个模块组成：基本模块（传热分析模块）（Base License）、有限元网格划分（MeshCAST）模块、流动分析（Fluid flow）模块、应力分析（Stress）模块、热辐射分析（Rediation）模块、显微组织分析（Micromodel）模块、电磁感应分析（Electromagnetics）模块、反向求解（In⁃verse）模块。这些模块既可以一起使用，也可以根据用户需要有选择地使用。对于普通用户，ProCAST应有基本模块、流动分析模块、应力分析模块和网格划分模块。对于铸造模拟有更高要求的用户则需要有更多功能的其他模块。ProCAST的标准模块包括基本模块（传热分析模块）和流体分析模块。附加模块包括应力分析模块和辐射分析模块。高级模块包括晶粒结构分析模块、微观组织分析模块、电磁分析模块和射芯流动分析模块。工具模块包括网格生成模块和反向求解模块。
（1）基本模块（传热分析模块）本模块用于传热计算并包括ProCAST的所有前后处理功能。传热包括导热、对流换热和辐射换热。ProCAST使用热焓方程式计算液相和固相转变过程中的潜热。ProCAST的前处理用于设定各种初始和边界条件。用户可以准确地设定所有已知的铸造工艺的边界和初始条件。边界条件可以是常数，也可以是时间或温度的函数。ProCAST的后处理功能既强大又灵活，与其他模拟软件一样，它可以显示温度、压力和速度场，同时也可以将这些信息与压力和变形的信息集于一体。不仅如此，ProCAST还可以使用X射线的方式确定缩孔的位置，使用缩孔判据或Niyama判据评估缩孔和缩松。除了可以读入从MeshCAST产生网格外，ProCAST还可以直接使用其他商业软件如I⁃DEAS、Patran或ANSYS产生的网格。ProCAST的结果也可以输出到其他CAE软件中去。
（2）有限元网格划分模块MeshCAST自动产生有限网格。此模块与其他CAD软件可实现无缝连接，它可以读入标准的CAD文件格式如IGES、Step、STL或者Parasolid，同时还可以读取诸如I⁃DEAS或Patran格式的表面或实体网格。MeshCAST同时拥有其他独特的性能，如初级CAD工具、高级修复工具、不一致网格的生成和壳型网格的生成等。
（3）流体分析模块 流体分析模块可以模拟包括充型在内的液体和固体流动的效应。ProCAST通过完全的Navier⁃Stocks流动方程对流体流动和传热进行耦合计算。本模块还包括非牛顿流体的分析计算等，可以模拟湍流、触变行为及多孔介质流动（如过滤网中的流动），也可以模拟注塑过程。分析的结果有助于优化浇铸系统，以达到高效充型的目的。
（4）应力分析模块 本模块可以进行完全的热、流动和应力的耦合计算，可以显示由于铸件变形而产生的铸件和模型的间隙，更可进一步确定由于这种间隙的出现而影响到的铸件冷却时间和模型中热节的产生。本模块包含多个描述材料力学性能的模型，可以对铸件或模具进行弹性、弹塑性或弹黏性中任何一个或几个组合设定。通过铸件位移模拟软件可读出各节点凝固前后的坐标值，利用此功能可反推出铸件不同方向的收缩率。
应力分析模块用于模拟计算领域中的热应力分布状态，包括铸件、铸型、型芯和冷铁等，采用应力分析模块可分析出残余应力、塑性变形、热裂和铸件最终形状等。
应力分析模块包括的求解模型有六种：线性应力，塑性、粘塑性模型，铸件、铸型界面的机械接触模型，铸件疲劳预测，残余应力分析，以及最终铸件形状预测。
（5）热辐射分析模块 本模块大大加强了基本模块中关于辐射计算的功能，专门用于精确处理如单晶铸造、熔模精铸等过程中热辐射的计算，特别适用于高温合金例如铁基或镍基合金。此模块被广泛用于涡轮叶片的生产模拟。由于在辐射计算时考虑了视角因子和影印效应等，一旦部件之间有相互运动视角因子将重新自动计算。此模块还可用来处理连续铸造的热辐射、工件在热处理炉中的加热及焊接等方面的问题。
（6）显微组织分析模块 本模块专门用于满足铸铁、铸钢件生产的需要。它能够定性分析和定量地计算固相转变。通过微观组织模型计算固相（如奥氏体、铁素体、渗碳体和珠光体）的成分、含量以及相应的潜热释放。ProCAST软件中包含的显微组织模型有通用型模型，包括等轴晶模型、包晶和共晶转变模型，将这几种模型结合，就可以处理任何合金系统的显微组织模拟问题。Fe⁃C合金专用模型，包括共晶/共析球墨铸铁、共晶/共析灰口/白口铸铁、Fe⁃C合金固态相变模型等。
（7）电磁感应分析模块 电磁感应分析模块主要用来分析铸造过程中涉及的感应加热和电磁搅拌等问题，ProCAST软件能对热、流动、电磁场进行综合计算。
（8）反向求解模块 本模块适用于科研或高级模拟计算之用。利用实际的测温数据，通过反向求解可以确定边界条件和材料的热物理性能，最大限度地提高模拟结果的可靠性。在实际应用技术中，首先对铸件或铸型的一些关键部位进行测温，然后将测温结果作为输入量，通过ProCAST反向求解模块对材料的热物理性能和边界条件进行逐步迭代，使技术的温度-时间曲线和实测曲线吻合，从而获得精确计算所需的边界条件和材料热物理性能数据，以最大限度提高模拟结果的可靠性。
3.ProCAST软件的模拟流程
ProCAST是一个模块化的系统，允许多个模块协同使用。ProCAST中的一般操作步骤为：产生一个FEM模型、设定计算（Calculation）、运行分析及结束（Finally）、结果说明。图4-113描述了ProCAST的模拟流程。
图4-113 ProCAST模拟流程
MeshCAST是ProCAST中的全自动2D和3D四面体网格生成器。它为CAD读取、几何质量检查及维护提供了诸多便利。MeshCAST能够读取下列格式的文件：几何体（iges、step、parasolids和stl格式）、曲面网格（patran和ideas格式）、实体网格（patran和ideas格式）。通常用户会读取几何体并检查其质量（该几何体最终会被修补、简化或改良）。会生成曲面网格并基于曲面网格生成实体网格。实体网格的质量会被检验并优化。然后实体网格为PreCAST的读取做好准备。
PreCAST是ProCAST的前置处理器，允许用户读取有限元模型、对不同的模型组件指定材料属性、设定接口和边界条件、定义初始条件。
DataCAST为计算编辑设定值并提供必要的数据文件。
ProCAST用于执行分析。
ViewCAST是后处理器，允许用户在ProCAST报告计算情况时将结果进行可视化。
这些不同操作都是用户在文件管理器的帮助指导下进行的。
（1）三维模型的导入ProCAST软件可接受的标准数据类型为“*.igs”。利用CAD软件建立模拟需要的三维实体模型，存储为“*.igs”格式文件，或应用CAD软件中自带的网格划分功能存储为“*.ansys”文件格式都可被ProCAST软件识别。
启动ProCAST软件的主界面如图4-114所示。
（2）模拟的前处理
1）MeshCAST。单击ProCAST软件界面主菜单下的“MeshCAST”模块，进入数值模拟前处理界面。
单击“MeshCAST”菜单栏下的“File”选项，打开模型。
在此界面中可依次对输入的模型或网格文件进行剖分，建立四面体网格，生成“*.Mesh”文件，文件中包含节点数量、单元数量和材料数量等信息，如图4-115所示。
图4-114 ProCAST软件的主界面
1—文件管理菜单 2—工作目录 3—保存路径 4—菜单栏
图4-115 自动汇总网格数据
MeshCAST工具栏如图4-116所示。单击图4-117所示Mesh网格检查工具栏下的“Check Mesh”按钮可对生成的网格进行检查。单击图4-118所示Mesh网格生成工具栏下的“Tet Mesh”生成PreCAST需要的体网格文件。
图4-116 MeshCAST工具栏
图4-117 Mesh网格检查工具栏(https://www.daowen.com)
图4-118 Mesh网格生成工具栏
2）PreCAST。PreCAST界面用于分配材料、设定界面、边界条件、初始条件、模拟参数，生成“xxd.dat”文件和“xxp.dat”文件。PreCAST界面如图4-119所示。
图4-119 PreCAST界面
①分配材料。单击PreCAST界面下的“Materials”选项，进入材料分配界面，如图4-120所示。ProCAST材料数据库可以用来模拟从钢、铁到铝基、钴基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。除了基本的材料数据库外，ProCAST还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，从而自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热容和固相率的变化等热力学参数。
图4-120 材料分配界面
1—分配模型和铸件材料选项。例如单击图4-120中的1号几何体，图形区域高亮显示，便于识别2—系统的材料库选项。如选定铸件材料为铝合金等3—Assign选定按钮。各组件定义好之后，确定所设定的材料
选项4—设置材料类型Type按钮。如铸件指定为Casting，模型为Modle。
②设定分界面。单击PreCAST界面菜单下的“Interface”选项，进入材料之间传热系数的设定界面，如图4-121所示，在两个组件之间设置一个传热系数为1000W/（m2·K）的分界面。
图4-121 设定分界面
1—界面之间传热类型设定选项（Type） 2—界面之间传热数值设定选项（Assign） 3—系统自带的传热值选项 4—确认选定按钮（Apply）
③设定边界条件。单击PreCAST界面菜单下的“Boundary Conditions”选项，进入模拟边界条件的设定界面，如图4-122所示。
图4-122 模拟边界条件的设定
1—加入边界条件选项（Add） 2—边界条件的类型选项，比如Hear、Temperature、Gravity等 3—系统自带的边界条件参数库选项 4—按照模拟选定的边界条件，选择系统参数库中对应的边界条件类型选项，用户也可以根据模拟需要特别输入需要的边界参数（Assign） 5—系统库种不同边界参数对应的编号 6—界面边界条件选择按钮 7—组件被选中后的颜色变化显示 8—保存边界条件的设定按钮（Store）
单击PreCAST界面菜单下的“Boundary Conditions”→“Assign Surface”选项，如图4-122所示。例如，将模具外表面设置空气冷却条件。单击上面的“Add按钮”，在弹出的菜单中选择“Heat”，模具外表面的选择使用
（Select All）工具进行点选，之后单击“Store”按钮。
图4-123 设置重力
④设置重力。单击PreCAST界面菜单下的“Precess”→“Gravity”选项，进入模拟重力向量设定界面，包括重力的方向和大小。假定本案例中Z轴是垂直向上的，与重力方向相反。在弹出的重力对话框的Z轴文本框里输入“-9.8”，或者输入“9.8”之后，再双击文本框前面的“Z”字，文本框的数字会自动变成原来数字的负数“-9.8”，如图4-123所示。
⑤设定初始条件。单击PreCAST界面菜单下的“Initial Conditions”→“Constant”选项，进入到初始条件的设定界面，设置模拟过程中涉及的所有铸件和模具的初始温度，如图4-124所示。
图4-124 设定初始条件
1—材料的类型选项，包括铸件和模具 2—材料初始温度值的输入，按<Enter>键即可
⑥设定模拟参数。单击PreCAST界面菜单下的“Run Parame-ters”选项，进入到模拟参数设置界面，模拟的类型如图4-125所示。
“Run Parameters”界面中包含各类模拟参数，用户既可以应用系统默认的数值，也可以根据模拟需要更改模拟参数，其中单击PreCAST界面菜单下的“Run Parameters”→“General”选项，得到相应的模拟参数如图4-126所示。
⑦保存并退出PreCAST。
（3）运行DataCAST和ProCAST ProCAST是指模拟需要的参数设置完毕后，软件开始对铸造过程模拟分析计算，并生成“*.Unf”文件。系统会自动弹出模拟开始提示，如图4-127所示。
单击“Run”运行按钮后，自动弹出系统内部运行状态窗口，如图4-128所示。
（4）ViewCAST系统执行模拟任务后，单击ProCAST软件界面下的“ViewCAST”按钮可查看铸造过程模拟的全过程，结果可以用多种方式来表达。图4-129所示是组件的温度场分布图。
图4-125 模拟类型菜单
图4-126 模拟参数设置
图4-127 模拟开始提示
1—ProCAST选项 2—第一次运行选项 3—Run按钮
图4-128 系统运行提示
图4-129 组件的温度场分布图
1—模拟结果动态查看区 2—设置查看方式按钮 3—模型旋转按钮 4—模型剖分按钮 5—动画查看按钮 6—温度场坐标
