基于ProCAST软件叶轮离心铸造计算机模拟前处理

　　摘要:采用ProCAST软件,对典型铜铸件叶轮的离心铸造充型和凝固过程计算机模拟进行前期处理。通过对PRO/E与 ProCAST接口方式的探讨,叶轮工艺的设计,以及模拟相关参数准确的设置,从而为后续的计算机模拟过程打下一个良好的基础。 关键词:ProCAST;叶轮;接口方式;网格划分　　 所研究的叶轮铸件结构极其复杂,壁厚非常薄, 里面有6片大弧度的薄壁叶片,对表面质量和尺寸精度要求高。由于该叶轮铸件成轴对称,非常适合离心浇注,为了获得性能更加优良的铸件,在制备叶轮铸件中采用真空熔炼离心浇注技术。数值模拟的目的,就是要对铸件形成过程各个阶段的温度场、流场、浓度场、应力场的变化进行准确的计算, 以获得合理的铸件形成的控制参数。其中,前处理模块为所有后续模块提供计算所必须的网格信息,是进行数值分析的前提与基础,其性能的好坏直接影响到整个系统的实用性及计算的准确性[1]。本课题主要根据所采用的真空离心铸造技术,再结合相关的理论和实践,通过较为准确的前处理,为后续的模拟计算打下良好的基础。 1　铸造仿真软件ProCAST简介 ProCAST是法国ESI公司的一款铸造模拟软件, 基于有限元方法对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场和电磁场进行模拟分析。主要用于砂型铸造、消失模铸造、重力铸造、熔模铸造过程的模拟。它主要由4部分组成:网格生成模块(Mesh- CAST),前处理模块(PreCAST),求解器模块(Data- CAST/ProCAST),后处理模块(ViewCAST)。由于采用了标准化的、通用的用户界面,任何一种铸造过程都可以用ProCAST进行分析和优化。实践证明Pro- CAST可以准确地模拟型腔的浇注过程,精确地描述凝固过程[1]。ProCAST是利用其他CAD系统生成的铸件三维实体进行模拟计算的,本课题中采用PRO/E 三维造型软件,因此,基于ProCAST铸件充型凝固模拟过程流程图如图1所示。 2　计算机模拟前处理前处理采用用户交互菜单和用户数据库来确定铸造过程的初始条件、边界条件等有限元模型,赋予特殊定义。前处理包括三维模型的建立、面体网格的划分、参数的选取。 2.1　Pro/E与ProCAST的接口连接方式一般来说,三维设计软件与有限元分析软件的接口文件方式分为2大类[2]:专用接口,是指有限元软件专门针对某种造型软件数据格式制定;通用接口,通过标准格式文件进行数据交换,如IGES、STEP、STL 等。Pro/E与ProCAST之间没有专用接口,两者之间通常采用标准格式文件进行数据交换。 ProCAST提供了3种接口方式实现与其他软件的连接:①其他软件建模后把模型导入MeshCAST, 用MeshCAST划分面网格、体网格后再进行后续工作。针对这类方式,MeshCAST可以输入文件类型为 IGES、STEP、PARASOLIDS、STL、Re-start;②其他软件建模并划分面网格后再导入MeshCAST中进行后续工作。MeshCAST可以输入的文件类型为PAT- RAN Surface Mesh、I-DEAS Surface Mesh;③其他软件建模并划分网格后导入ProCAST中,并进行后续工作。MeshCAST可以输入的文件类型为PATRAN Volume Mesh、I-DEAS VolumeMesh[3]。由此,通过详细地了解ProCAST可以识别的文件类型,就可以有针对性的选择软件,实现其连接方式。本课题选择第①方式,采用Pro/E进行三维实体造型,然后用MeshCAST进行面、体网格的划分,有限元网格进行剖分后的铸件与实体铸件外形能够较好的逼近,可以保证计算结果的正确性。 2.2　建模与网格的划分有限元分析中的核心思想是结构的离散化(网格划分),就是将实际模型假想的离散为有限数目单元体的组合体,网格划分及网格的质量直接影响到有限元分析的质量和精度,在整个有限元分析中,网格划分是有限元分析中的一个重要环节[4]。 2.2.1　叶轮零件图如图2,叶轮的CAD二维平面图,图3是根据叶轮的二维平面图在Pro/E里所画的叶轮三维立体图。叶轮零件特点:中空、轴对称的盘状件,由此可以在叶轮的中心轴处进行浇注,如图4所示。 2.2.2　网格的划分 (1)网格划分注意的问题网格的划分是数值模拟必不可少的前处理部分, 进行网格剖分时主要考虑以下几点:①出于计算速度的考虑,在满足精度的前提下尽量使用粗网格,以减少网格总数;②相邻网格步长变化不应太剧烈;③ 同一个网格在x,y,z方向上的步长不应相差过大,否则一个方向上产生的计算误差有可能会引起另一个方向上更大的误差;④不能有未连续网格,单边接触网格也应尽量避免。 (2)网格划分的方法常用的网格划分主要以下有2种方法。 ①MeshCAST划分网格方法。MeshCAST用 FEM(Finite Element Method)来产生四面体网格。 MeshCAST可以接受由IGES、PARASOLIDS、STEP 或STL建立的模型,MeshCAST首先将模型生成表面网格,进一步生成体积网格。另一种方法,Mesh- CAST也能接受由CAD/CAE软件包生成的表面网格或是体积网格。 ②Pro/E划分网格方法。该方法过程如下:在 Pro/E建实体装配→划分面网格输出Ansys格式→ MeshCAST划分体网格→进入PreCAST进行后续操作。 所以采用方法一,叶轮的前处理流程如下: (3)有限元网格的修复网格质量的好坏直接影响着后续模拟过程的进行,如果在划分面、体网格时出现破面、坏单元、裂缝等问题时,后续的所有过程都不会继续进行,因此,网格修复在模拟中起到很重要的作用。MeshCAST具有强大的网格修复功能,如图5所示,右上角是Mesh- CAST进行网格修复的各种工具,在网格修复环境中, 一般包括2种修复方式[6]。 ①几何修改在修改操作中,可以用各种工具对几何体的边和面进行修改。打开几何文件后,应该用几何体的图标对几何体质量进行检查。在此操作中,有问题的边和面会被识别出来。 ②表面网格的生成在同一个修改环境下,表面网格生成通常与几何修复过程同步进行。就是所有可以显示出来的几何错误全部修复了,在几何体上也仍然可能存在一些错误或者裂缝。这意味着生成表面网格是一个反复的过程,要经过网格检查、几何体分离、几何修复等过程。在生成网格的过程中,用户可以对几何体的不同部位赋予不同的网格密度。MeshCAST提供了面网格工具来定义、修改、保存边和面的集合,可以给这些集合中的每个赋予唯一的长度值。铸件最大直径为 321.3 mm,最小直径为42.8 mm,选用单位长度6 mm 来划分网格密度,保证模拟计算精度和计算速度,如图5。