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金属铸造过程仿真软件对比研究
金属铸造过程仿真软件对比研究
提高铸件出品率、减少缺陷、提升铸件强度与疲劳性能，是金属铸造行业面临的几项核心难题。为攻克这些难题、满足终端用户需求，全球大多数铸造厂都已经采用仿真驱动的铸造技术。仿真铸造包括铸件三维建模、模样设计、工艺方案设计、工艺仿真与优化 [1]。在虚拟环境下完成整个铸造工艺分析与优化，取代了传统反复试错模式，转向更加科学的概念验证研发模式，用于生产高质量铸件。借助仿真预测并减少缺陷变得更加容易，铸件产品质量与生产重复性得到提升。同时，铸造仿真还可以加快高质量铸件的研发生产速度，降低生产成本。 
如今铸造仿真广泛适用于各类铸造材料、铸造工艺以及复杂铸件。图 1 表明：年产量大于 5000 吨、年订单量超过 100 份的大型铸造企业，应当配置内部仿真工作站；多家中等规模、订单量较少的铸造厂可以共享仿真资源；对于年新增订单不足 10 份的小型铸造厂，可以共建联合仿真中心，或者委托外部仿真咨询机构完成仿真工作 [2]。 多款铸造仿真软件已经被开发出来，软件内置铸造过程物理现象对应的数学模型，以及铸造金属、铸型材料的物性数据库。实际铸造工艺、仿真流程、物理现象建模、控制方程、输出变量之间的关系如图 2 所示。 
从建模角度，铸造仿真包含三大核心物理过程：铸型充型、凝固冷却、铸件应力应变场，每个过程都对应一套控制方程： 每一款软件都具备相应能力，助力铸件设计优化、提高出品率、改善产品质量。但用户如何结合自身需求选择仿真软件，一直是实际工作中的难题。对现有铸造仿真软件开展对比，能够帮助使用者挑选最合适的工具。 已有部分文献开展过软件对比：Behera 等人 [1] 对比了 ProCAST 与 AutoCAST 两款软件，对比维度包括求解算法、硬件要求、输入条件、仿真步骤、计算耗时；采用阶梯试样标准算例完成仿真验证。文章指出：AutoCAST 更适合没有研发部门的铸造厂，操作友好，无需专业培训；而 ProCAST 仿真需要大量热物理参数作为输入，但输出信息丰富，可预测显微组织、热应力、强度、硬度等铸件性能。 另有文献 [7] 对比 MAGMASoft 和 Nova‑Solid/Flow，从计算精度、充型过程、凝固过程、缺陷预测、力学性能预测几个方面开展研究。两款软件充型、凝固仿真结果吻合度较好，收缩缺陷的预测位置略有差异。MAGMASoft 采用有限差分法，Nova‑Solid/Flow 使用控制体积网格技术；前者计算耗时 14 小时，后者仅需 5 小时。Khan 等人 [5] 综述铸造建模仿真方法，列举多款软件的工程案例，阐述仿真软件底层数学模型、工艺优化流程，以及充型、凝固、应力仿真结果。文章提出：选型时需要对市面上商用仿真软件进行对比评估。 本文对多款商用铸造仿真软件进行对比，分析软件功能：可模拟的铸造工艺、求解算法、金属 / 铸型材料库、缺陷预测、设计与工艺优化等。下文安排：第 3 节介绍各类铸造工艺以及各软件对工艺的仿真能力，同时介绍附加模块；第 4 节介绍仿真软件采用的数值求解方法；第 5 节讨论铸造缺陷以及各软件缺陷预测能力；第 6 节介绍各软件内置材料数据库；第 7 节介绍软件典型用户，同时对 3‑6 节结果展开综合讨论；最后为结论。 本文选取高端、低端共 8 款铸造仿真软件，分析软件功能特性，为铸造行业人员选型提供依据。软件清单见表 1。数据收集采用两种方式：
现代金属铸造可以按照多种方式分类： a）铸型种类（砂型、金属型等）； b）金属液充型驱动力（重力、真空、压力）； c）金属状态（液相占比）； d）型腔状态（固体、气体、真空）。 表 2 列举部分铸造工艺以及铸型、金属相关特点 [8]。
本次选取软件中，ProCAST、Flow‑3D Cast、MAGMASoft、Nova‑Solid/Flow 属于高端软件，可以模拟铸造厂绝大多数铸造工艺；AutoCAST、SOLIDCast、CastCAE、CAPCAST 支持的工艺相对更少。各软件支持工艺汇总见表 3。 ProCAST搭载 QuikCAST 求解器，可以快速求解铸造基础物理过程 [9]。针对高低压压铸，软件可以模拟多轮生产循环，还原车间实际工况，研究充型凝固、增压效果、冷却水道设计与工艺参数；支持重力金属型、倾转浇注（可设置旋转轴、旋转角速度）。针对熔模、壳型铸造，可以生成壳型网格，支持壳型厚度不均匀、多层壳型设置；考虑视角因子辐射换热，这对高温合金仿真至关重要。砂型铸造中，可以全面研究浇注系统、冒口、过滤器、冷铁、发热套对铸件工艺与质量的影响。热‑微观组织‑孔隙耦合计算，气孔预测更贴合实际；包含孕育处理模型，微观组织求解器计算各相生长，预测局部密度变化；内置灰铁、球铁、蠕墨铸铁、镍硬铸铁等铸铁组织模型 [9]。 FLOW‑3D Cast可以精准追踪充型前沿，预测温度场与潜在缺陷位置；具备消失模专用模型，可以识别卷泡沫造成的夹杂缺陷；离心铸造采用非惯性参考系模型，定义旋转、调节转速；完整复现熔模铸造全流程：注蜡、金属充型、熔体凝固，快速预测各类缺陷。 Nova‑Solid/Flow仿真充型与凝固，通过工艺优化提高出品率，实现绿色铸造。支持：重力砂型、重力金属型、低压压铸、高压压铸、失蜡铸造、倾转浇注、反重力铸造、离心铸造、消失模铸造。 MAGMASoft模拟充型、凝固冷却、应力应变、组织演化、性能分布，实现铸件质量预测。模块化架构，全部模块共用一套图形界面。MAGMAfill 分析型腔流动充型，耦合铸型传热；MAGMAsolid 处理凝固冷却，考虑液固态收缩，模拟补缩与孔隙生成；压铸模式模拟金属型循环生产；砂型铸造下可以充分研究铸件结构、工艺参数带来的影响；后处理模块可对充型、凝固、凝固后全过程结果可视化评估。 SOLIDCast支持低压压铸、重力金属型、熔模铸造、砂型铸造。热‑体积耦合计算提升砂型仿真精度；熔模壳型自动生成，辐射视角因子自动计算；金属型压铸采用模具循环仿真，兼顾精度与计算速度。 CAPCAST 与 CastCAE仿真工艺大体相近，CAPCAST 额外支持挤压铸造。AutoCAST仅支持重力金属型、熔模铸造、壳型铸造、砂型铸造。 
铸造仿真主流数值方法：有限差分法 (FDM)、有限体积法 (FVM)、有限元法 (FEM)、矢量单元法 (VEM)、元胞自动机 (CA)；也可混合使用，例如元胞自动机‑有限元耦合 CAFE、FDM‑FEM 混合算法 [17‑20]。各软件采用算法汇总见表 5。
将求解域离散为大量控制体，假设每个控制体内材料物性为常数；想要高精度就需要加密网格，同时会增加计算耗时。属于泰勒级数展开近似的微分格式，迭代按时间步计算，结果可以每一步或间隔若干步保存 [4]。MAGMASoft、FLOW‑3D Cast、SOLIDCast 基于 FDM。MAGMASoft 在矩形网格上求解传热传质，除充型行为外，可以预报提前凝固、卷气、速度场、浇注系统效率等。FLOW‑3D Cast 采用VOF 流体体积法追踪流动前沿，FAVOR 分数面积体积法处理复杂几何 [10]；结构化矩形网格生成简单，自由表面计算精度高、内存占用适中。缺点：曲面斜边界会出现阶梯伪影；VOF 处理自由面时存在数值扩散、质量守恒问题。网格与几何相互独立，前处理方便；修改设计不需要重新画网格。SOLIDCast 配套 FLOWCast 流体求解器，基于纳维‑斯托克斯方程；可以多角度观察充型过程流速、压力、温度变化；SOLIDCast 生成的模型网格可直接对接 FLOWCast；流程：SOLIDCast 建模划分网格→FLOWCast 做充型仿真→将充型结果回传给 SOLIDCast 计算凝固。 属于积分格式，同样划分控制体。积分形式处理诺伊曼边界、间断源项，对解的光滑性要求更低。Nova‑Solid/Flow、CastCAE 使用 FVM。Nova‑Solid/Flow 内部使用六面体单元，边界采用特殊边界单元，兼顾速度与精度；充型时计算液面高度宽度，单元按实际充入分数填充，不是简单整格填满，区别于 FDM [13]。CastCAE 生成矩形网格，即使网格质量一般，也可以输出可靠结果。 求解域离散为单元，单元包含节点、边，物性存储在单元上；依靠插值函数计算单元内部高斯积分点物理量；时间迭代步进逻辑与 FDM/FVM 类似 [4]。ProCAST、CAPCAST 基于有限元。ProCAST 内置网格生成器，生成块结构化网格，支持多层网格（共节点 / 非共节点），支持表面网格装配、布尔运算 [9]。CAPCAST 配套 KENT 自动网格生成器 [14]，读入 STL 文件建立多部件有限元模型，导入铸件实体，添加铸型，设置热交互；网格自动粗化；铸件附近网格加密，远离区域采用粗网格，节约仿真设置和计算时间。 核心：计算铸件每一点热梯度，热梯度为各个方向热流矢量矢量和；从该点划分大量锥形体立体角，计算每个锥形体热容量、散热面积，求解热流；沿着合热流矢量向前迭代，直到热流趋近于零。迭代终点即为热节，迭代轨迹就是补缩通道。设置多个种子点，可识别多处热节。相比其他算法计算简单，结果稳定可靠 [23‑24]；迭代过程自动修正热流计算误差；内存占用低、计算速度快。AutoCAST 采用该算法。 铸造缺陷需要在实际生产前通过仿真预测、可视化、优化消除。缺陷可以分为四类：充型类缺陷、形状类缺陷、热相关缺陷、外观类缺陷 [25]。各类软件缺陷预测能力见表 6。
共性：无论高端低端软件，均可预测孔隙、冷隔浇不足、收缩缺陷。 若要开展深度缺陷分析，ProCAST、MAGMASoft、CAPCAST 表现更突出，可以计算枝晶合金晶粒组织、柱状晶‑等轴晶转变；ProCAST 晶粒模块采用前文提到的 CAFE 元胞自动机‑有限元算法。Nova‑Solid/Flow 与 FLOW‑3D Cast 缺陷预测水平接近；SOLIDCast 不输出热相关缺陷结果。所有软件均支持在同一软件环境内修改工艺方案、工艺参数，消除缺陷，得到高质量铸件。 材料数据库是铸造仿真软件的核心能力。仿真精度高度依赖软件内置铸件、铸型、型芯材料物性。各软件材料库见表 7。
高端软件 MAGMASoft、ProCAST 内置大量常用铸型、型芯材料；MAGMASoft、ProCAST、Nova‑Solid/Flow、SOLIDCast 为开放数据库，允许用户自行录入合金参数。FLOW‑3D Cast 自带铝、钢、锌、镁、铁材料有限，可付费调用 JMATPRO 物性数据。 铸造仿真软件广泛应用于铸造厂、高校、科研院所、设备原厂。各软件典型客户见表 8。
ProCAST、MAGMASoft 支持仿真自主优化：根据用户设定目标，在虚拟环境自动迭代试算，遍历多组工艺组合，优化材料性能与工艺参数，相比人工反复新建仿真，大幅减少人工操作，节约时间。 ProCAST 高级分析功能：计算相种类、相体积分数、晶粒尺寸形貌，预测铸件力学性能；基于 TTT/CCT 曲线模拟热处理固态相变与对应力学性能；微观求解器计算宏观偏析；不仅模拟收缩孔隙，还可以模拟气孔，内置气体偏析模型，处理气体溶解度极限、气孔形核 [9]。 FLOW‑3D Cast 分基础版、扩展版、高级版。 基础版：多块网格、倾转包浇注、考虑黏性‑湍流‑表面张力的充型、凝固传热、完整铸型铸件材料库、冷铁保温套、氧化与缺陷识别、充型凝固孔隙、粒子模拟。 扩展版：基础版全部功能，不限网格块数量、卷气排气、压射室性能优化、消失模及泡沫缺陷、空化与模具冲蚀预测、渗透性铸型模型、压射室与浇包六自由度运动。 高级版：包含扩展版全部，二元偏析、型芯产气缺陷、砂芯射砂、非牛顿黏度、剪切变稀 / 变稠、触变流动、热‑力耦合变形应力 [10]。官方宣称其自由面求解精度优于市面上其他 CFD 商业软件。 SOLIDCast 采用热‑体积耦合计算，考虑铸铁石墨膨胀，收缩补缩预测效果优秀；自带浇注冒口设计工具，导入无浇注系统模型，自动设计工艺；支持站点授权，价格亲民，学生与工程师均可使用；开发团队具备一线铸造厂经验，软件设计贴近实际生产，速度快、性价比高、计算准确。 Nova‑Solid/Flow 支持充型、凝固两套不同网格；特色指标 “优良指数”，对多组仿真做技术‑环境综合打分；输出铸铁奥氏体、石墨、渗碳体平均含量；关键区域网格加密；基于全接触求解应力；可以参数优化得到无缺陷铸件。 MAGMASoft 分材料专用模块：MAGMAiron 铸铁、MAGMAsteel 铸钢、MAGMAnonferrous 有色合金。 MAGMAiron：微观动力学模型，预测铸铁凝固序列、最终组织、力学性能； MAGMAsteel：热‑溶质自然对流计算速度压力，耦合枝晶尺度微观偏析，跟踪元素再分布，预测宏观偏析； MAGMAnonferrous：动力学模型模拟铝合金凝固组织演化，充分考虑成分、冶金条件、工艺； 工艺模块：MAGMAhpdc 高压压铸、MAGMAlpdc 低压压铸、MAGMAcore+mold 型芯铸型、MAGMAdielife 模具寿命；MAGMA HT 热处理、MAGMAstress 铸件脱模后应力；MAGMALink 导出结果给有限元软件，评估服役力学性能与剩余寿命。 CAPCAST 基于有限元，在普通计算机硬件条件下就可以完成复杂铸型仿真，计算周转快，快速逼近最优铸造方案 [14]；但是自动优化能力不及 ProCAST、MAGMASoft。 CastCAE 行业反馈：可实现节能最高 6%，产品质量提升，回炉与返修减少，交付周期缩短，废料降低最高 84%，减重 5%；软件投入一般 1‑2 年回本。 AutoCAST 属于低端软件，功能有限，但优势：输入少即可完成充型‑凝固耦合计算；降低废品率、质量管控、提升出品率、快速得到仿真结果 [12]。 ProCAST、MAGMASoft、Nova‑Solid/Flow、CAPCAST、FLOW‑3D Cast 属于高端一流仿真软件； CastCAE、SOLIDCast、AutoCAST 功能相对有限。用户必须结合自身实际需求选型，最大化仿真铸造的效益‑成本比。 
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各位小伙伴，今天给大家分享航材院郑亮研究院一篇文章《A COMPARATIVE STUDY OF SIMULATION SOFTWARE FOR MODELLING METAL CASTING PROCESS》，详细介绍金属铸造成型模拟软件的对比差异。
基于仿真的铸造技术在现代金属铸造行业得到大规模应用。市面上存在多款铸造仿真软件，工艺工程师可借助软件完成铸件设计建模与验证，以此提高铸件出品率、减少缺陷。但铸造仿真软件的选型十分关键，选型人员需要充分了解各类商用软件的特点。本文选取多款铸造仿真软件开展对比研究，涵盖高端与低端共 8 款仿真软件。从可仿真铸造工艺、附加模块、求解算法、缺陷预测能力、典型使用客户、高级仿真功能等维度进行对比。研究结果可为铸造行业人员根据自身需求选择仿真软件提供参考。研究结论表明：必须结合实际需求选择铸造仿真软件，才能保证仿真铸造技术具备较高的效益‑成本比。
1 引言
图 1 基于项目数量、企业产能、质量要求、铸件形状复杂度划分的铸造仿真用户类型 [2] （纵轴：铸件项目数量；横轴：铸造厂产能；维度：质量要求、形状复杂度，划分 4 类用户：高需求用户（共享设备）；极高需求用户（多套设备）；低需求用户（聘请咨询）；中等需求用户（自有设备））
图 2 实际工艺、建模仿真与输出变量之间的关系 [3]
左侧：真实生产流程（材料性能、铸造设备、工艺参数→铸造过程→输出铸件组织、缺陷、质量、性能）；
中间：仿真流程（输入→物理热‑冶金现象→建模表达→数值求解→仿真结果→输出）； 右侧三大模块：充型（动量守恒→纳维‑斯托克斯方程→速度；质量守恒→连续性方程→压力；能量守恒→能量方程→温度）；凝固冷却（热平衡→热传导方程→温度）；应力应变（力平衡→平衡方程、本构方程→位移、应力、应变）。
例如充型过程由连续性方程、动量方程（纳维‑斯托克斯）、能量方程共同描述 [4‑5]； 凝固过程求解能量方程（若不忽略流动，还需要连续性与动量方程）[6]，建模目标是得到铸件温度场，分析凝固行为； 铸件应力应变场一般通过平衡方程与胡克定律求解，得到位移、应力、应变大小 [4]。
2 研究方法
设计调查问卷，发送给软件厂商，收集软件可仿真工艺、附加模块、求解算法、缺陷预测、材料库、授权模式与价格、典型用户等信息； 查阅公开文献、产品手册，提取与本研究相关的全部信息。
表 1 选取的铸造仿真软件及开发商
3 可仿真铸造工艺
表 2 铸造工艺、铸型与工艺特点 [8]
表 3 各软件支持的铸造工艺
除基础程序包外，多数软件配有附加模块，拓展仿真分析能力，见表 4。
表 4 仿真软件附加模块
4 数值求解方法
表 5 各仿真软件采用的数值求解方法
有限差分法（FDM）
有限体积法（FVM）
有限元法（FEM）
矢量单元法（VEM）
5 缺陷预测
表 6 软件可预测铸造缺陷
6 材料数据库
表 7 软件内置材料库
备注：(a) 支持用户自定义录入任意铸造合金物性；(b) 可付费接入 JMATPRO 材料物性库。
7 结果讨论
表 8 软件典型用户
8 结论
仿真软件可以模拟绝大多数铸造工艺，但仿真结果可靠性取决于材料参数、网格、边界条件等前处理设置。 主流算法为 FDM、FVM、FEM；有限元 FEM 定义几何体需要单元数量更少，仿真时间相比 FDM/FVM 缩短约 10%。 缺陷预测是仿真软件核心优势，在虚拟环境消除缺陷，减少金属液浪费，摆脱传统试错模式。 全部参评软件均配备可修改的铸件、铸型、型芯材料库。 仿真软件典型用户群体为铸造厂、高校、科研院所、设备原始制造商。
