Виртуальный инжиниринг

ProCAST

ProCAST – это профессиональное решение для компьютерного моделирования всех литейных процессов, встречающихся как на отечественных, так и на зарубежных производственных площадках. Система базируется на методе конечных элементов, что обеспечивает высокую точность описание геометрии отливки и формы расчетной модели, учет большинства процессов теплового, кристаллизационного, металлургического, напряжено-деформированного характера.

Виды моделируемых технологий

  • литье в песчаные формы
  • литье в кокиль
  • литье в оболочковые формы
  • литье по выплавляемым моделям
  • литье под высоким давлением
  • литье под регулируемым давлением (включая литье под низким давлением, с противодавлением и вакуумным всасыванием)
  • литье по газифицируемым моделям
  • центробежное литье
  • непрерывное и полунепрерывное литье
  • тиксолитье (литье металла в твердожидком состоянии).
Модули для подготовки расчета в ProCAST
VisualCAST

Программная оболочка VisualCAST отвечает за настройку всех параметров технологического процесса: материалов, граничных и начальных условий и параметров моделирования. Интегрированная среда Visual позволяет быстро переключиться между основными режимами программы: VisualMESH, VisualCAST и VisualViewer; при этом работа осуществляется в одном окне и с одной моделью, нет необходимости загружать каждый раз сохраненный проект при открытии нового модуля.

Подготовка задачи в VisualCAST значительно упрощена для пользователя за счет более компактного расположения всех необходимых начальных параметров в рабочем меню Cast, возможности группировки элементов модели с одинаковым материалом, переименования каждого объема для более удобной идентификации при задании коэффициентов теплопередачи и граничных условий. Кроме того в оболочку VisualCAST включены инструменты для более точного определения начальных условий технологического процесса: расчет скорости заливки из стопорного ковша, контроль уровня заполнения металла в литниковой воронке, расчет коэффициентов теплоотдачи для каналов охлаждения формы и др.

Настройка контроля уровня заполнения литниковой воронки

Расчет напора металла при заливке из стопорного ковша

Новый инструмент Workflow позволяет начинающему пользователю быстро и удобно настроить все необходимые параметры технологического процесса, необходимые для моделирования конкретного вида литья, типа сплава, вида решаемых задач. При выборе данных параметров, Workflow автоматически генерирует необходимые к заполнению поля в пошаговом режиме. Кроме того, удобная цветовая индикация каждого шага указывает на то, все ли данные заполнены пользователем.

Пошаговое задание начальных условий процесса в режиме Workflow. Шаг 4, установка материалов и начальной температуры каждого тела.

База данных VisualCAST также включает специализированный термодинамический модуль для расчета тепловых и механических свойств сплавов по требуемому химическому составу. Таким образом, полностью исключается проблема поиска необходимых свойств отечественных марок сплавов или подбор их аналогов из зарубежных стандартов. Модуль разработан совместно с компанией CompuTherm LLC, более 20 лет занимающейся исследованием свойств металлов и сплавов.

Зависимость кривой выделения твердой фазы алюминиевого сплава в зависимости от содержания кремния; расчетные характеристики, полученные в базе данных ProCAST

Рассчитываемые теплофизические свойства сплава:

  • Теплопроводность;
  • Плотность;
  • Энтальпия;
  • Вязкость;
  • кривая выделения твердой фазы;
  • температуры Ликвидуса и Солидуса.

Получаемые механические свойства сплава:

  • модуль Юнга;
  • коэффициент Пуассона;
  • коэффициент линейного расширения;
  • предел текучести.
  • расширения
  • предел текучести
VisualMESH

Модуль предназначен для подготовки расчетной сетки по заранее подготовленной в CAD-системе геометрии отливки, формы, холодильников и пр. Генерация сетки происходит в автоматическом режиме, также VisualMesh содержит множество инструментов для ручной корректировки геометрии и оптимизации созданной сетки. Функция построения модели оболочки по импортированной геометрии куста отливок значительно упрощает работу по моделированию литья по выплавляемым моделям.

По сравнению с классическим сеткопостроителем MeshCAST, в VisualMESH значительно упростилась работа по основным этапам подготовки конечно-элементной сетки благодаря более качественному чтению геометрии при импорте, инструментам автоматической корректировки поверхностей загруженной геометрии, поверхностной сетки.

Импорт геометрии из CAD систем осуществляется через промежуточные форматы Iges, Step, Parasolid, а также можно использовать прямой импорт из программ Catia, ProEngineer, Siemens NX.

Также в VisualMESH изменился способ сборки элементов геометрии (определение контактов тел). Теперь определение границы контактной поверхности двух тел проводится не на поверхностной сетке, а непосредственно на геометрии. Это обеспечивает большую точность описания контакта и наиболее быстрое решение задачи, особенно сильно разница чувствуется при сборке большого количества элементов. Поддерживается импорт многотельной геометрии, сборку можно проводить сразу на всех контактах геометрии, автоматический инструмент в большинстве случаев дает хорошие результаты сборки, но также присутствует возможность вручную исправить границу контакта при необходимости.

Все вышеперечисленное обеспечивает быструю подготовку конечно-элементной сетки (в среднем 15-20 минут) даже при сложной геометрии с большим количеством элементов (холодильников, стержней, оболочек и пр.).

Создание и проверка поверхностной сетки для отливки «Корпус электродвигателя»

VisualViewer

Обеспечивает просмотр результатов расчета после окончания моделирования или на текущем этапе расчета. Доступны следующие расчетные результаты:

  • Температура в отливке и форме;
  • Скорость потока;
  • Векторное отображение течения потока;
  • Гидростатическое давление металла;
  • Эвакуация воздуха из формы;
  • Трассировка неметаллических частиц в сплаве;
  • Количества твердой фазы;
  • Распределение усадочной пористости.

Просмотр результатов возможен по поверхности геометрии, по сечению или в объеме отливки. Также доступно построение графика изменения любого расчетного параметра от времени в интересующих точках геометрии.

При подключении специализированных модулей ProCAST появляется возможность просмотра остаточных напряжений в отливке, величины коробления изделия (в форме, после выбивки и обрубки литниковой системы), распределения микропористости, фазовой структуры, твердости отливки и др.

Распределение температуры по сечению отливки во время заполнения формы (литье в кокиль)

Вектора течения потока по сечению питателя

Распределение усадочных дефектов по сечению отливки

График изменения температуры в форме в течение 15 циклов литья (литье в кокиль)

Основные расчетные модули в ProCAST
ProCAST Flow solver

Позволяет проводить моделирование заполнения формы сплавом. Расчет гидродинамики в ProCAST описывается полным уравнением Навье-Стокса и может проводиться совместно с анализом кристаллизации (важно при доливке металла в большие формы когда часть металла уже начала затвердевать) и напряжений (важно при ранней кристаллизации сплава в форме для получения более точных результатов моделирования, учета горячих трещин). Гидродинамический решатель учитывает вязкость сплава в зависимости от его температуры. Параметр вязкости сплава также можно рассчитать в термодинамической базе данных ProCAST.

Также доступен газовый режим при заполнении формы, при котором учитывается давление газов, их удаление из формы и влияние на общую картину гидродинамики. При этом для песчано-глинистых форм задается газопроницаемость формовочной смеси, для металлических форм – определяются положение и параметры газоотводящих каналов в форме (параметрическое определение в граничных условиях процесса).

ProCAST Stress solver

Осуществляет расчет напряженно-деформированного состояния отливки и металлической оснастки. Учитываются напряжения, полученные при неравномерном охлаждении различных частей отливки (термические напряжения), а также при контактном взаимодействии отливки и формы (механические напряжения).

Благодаря передовому методу конечных элементов и алгоритму решателя, при расчете напряжено-деформированного состояния отливки происходит изменение геометрии расчетной сетки (перестройка сетки, изменение координат ее узлов) в зависимости от усадки сплава, полученных напряжений и учета жесткости формы. В результате, можно оценить реальные коробления отливки, определить воздушный зазор между отливкой и формой, учесть его тепловое сопротивление, определить взаимное влияние отливки и формы.

ProCAST Thermal solver

Модуль для расчета тепловой задачи, включающий процессы кристаллизации и образования усадочных дефектов (усадочных раковин и макропористости). Моделирование кристаллизации можно проводить при различных условиях: гравитационной заливке, дополнительной подпитки при литье под низким и высоком давлении.

Также доступно применение специальных условий при охлаждении отливки в форме: экзотермические оболочки, теплоизолирующие покрытия, внутренние и внешние холодильники, охлаждающие/нагревающие каналы в форме.

Специальные расчетные модули в ProCAST
Advanced Porosity Module (APM)

Модуль ProCAST, позволяющий рассчитать пористость и междендритную усадку, с учетом растворенных в металле газов. Модуль учитывает рост дендритных ветвей первого и второго порядка и определяет подпитку металла в твердожидкой зоне, локализованного дендритным каркасом.

Учет подпитки возможен как в условиях гравитационного питания, так и при дополнительном давлении в системе (например при литье под давлением или автоклавном литье).

CAFE Module

Модуль применяется для моделирования отливок ответственного назначения, к которым предъявляются требования по структуре зерна отливок. CAFÉ модуль прогнозирует размер и направления роста зерен отливки при ее кристаллизации. Свое название модуль получил из-за совмещения в основе решателя метода клеточных автоматов (CA) и конечных элементов (FE).

Основные направления модуля CAFE:

  • Прогнозирование столбчатой и глобулярной структуры зерна отливки.
  • Определение перехода от столбчатой к глобулярной структуре зерна.
  • Учет направления роста зерен столбчатой структуры.
  • Прогнозирование появления «паразитных» зерен в отливках с монокристаллической структурой.

Core Blowing Module

Специальный модуль для моделирования заполнения стержневых ящиков песком при пескодувном процессе. Проводится расчет заполнения песчано-воздушной среды с учетом приложенного давления, системы вент стержневого ящика и фильтрации воздуха через стержневую смесь. Для моделирования данного процесса применяются специальные реологические свойства неньютоновской жидкости.

Inverse Module

Модуль обратной задачи (Inverse Module) используется для расчета начальных условий процесса по проведенным экспериментальным данным. С помощью него можно определить теплофизические свойства сплава (теплопроводность, теплоемкость, скрытую теплоту кристаллизации), а также граничные условия (коэффициент теплопередачи на границе тел, коэффициент теплоизлучения и др.)

Microstructure Module

Модуль микроструктуры (Microstructure module) предназначен для расчета фазовых изменений в структуре металла во время кристаллизации и охлаждении чугунной или стальной отливки, а также при моделировании термической обработки.

В результате расчета микроструктуры в ProCAST будут доступны следующие результаты моделирования:

  • Фазовый состав.
  • Средний размер зерна.
  • Междендритное расстояние.
  • Механические свойства (предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, твердость материала по Виккерсу).
Optimization

Новый модуль, который предназначен для проведения автоматической оптимизации технологических параметров процесса (температуры заливки сплава, температуры разогрева формы, количество слоев покрытия краски кокиля и др.) для достижения наилучшего результата (снижение количества литейных дефектов, повышения качества отливок). Подготовка задачи оптимизации отличается простотой и наглядностью благодаря пошаговому мастеру в VisualCAST.

Модуль оптимизации также может поставляться с дополнительными модулями Design of Experiment и Process Robustness для соответственно выявления параметров, имеющих наибольшее влияние на конечный результат процесса, и определения допустимого интервала входных параметров (например, температуры заливки сплава) для получения приемлемых результатов.