1.6压铸模CAD/CAE

压铸模及工艺的传统设计方法主要依靠经验公式和现有的生产经验，一套成熟稳定的生产工艺通常要经过多次的修改、试验、再修改的过程，这不仅浪费资源和时间，而且难以保证产品质量。科技发展日新月异，使得产品对模具的精度要求越来越高，产品改型也越来越快，传统的设计与制造方式已无法适应现代工业发展的需要。

采用CAD（computer aided design，计算机辅助设计）/CAE（computer aided engineering，计算机辅助工程）/CAM（computer aided manufacturing，计算机辅助制造）一体化技术进行压铸工艺和压铸模设计与制造，从产品设计到生产加工“无图纸化作业”，不仅可以大大提高设计效率，缩短模具设计与制造周期，而且能提高模具结构的合理性、准确性和加工精度，还能将设计人员从繁琐的绘图、计算和编程中解放出来，以从事更多的创造性工作。考虑到压铸模CAM与其他模具CAM类似，这里主要探讨压铸模CAD/CAE。

1.6.1压铸模CAD

（1）CAD技术的发展趋势

CAD是世界性通用的专业名词，是指技术人员以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行绘图、分析计算和编写技术文件等设计活动的统称。

CAD技术的起源始于20世纪60年代，最初主要用于航空工业和汽车工业。近十几年来，随着计算机技术的不断发展，高分辨率图形显示器、自动绘图仪、高计算能力的处理器随之出现，CAD技术的发展也是日新月异。

CAD技术先后经过了从二维到三维，从线框造型、曲面造型到现在的实体造型，由最初的精确造型到现在的参数化造型、特征造型、变量化造型等，取得了长足的进步。目前CAD技术已经从传统的二维精确设计全面转向三维设计阶段，其三维设计技术先后经历了四次革命性的发展阶段，即曲面造型技术、实体造型技术、参数化技术和变量化技术。

经过多年的研究与开发，国内外在压铸模CAD方面取得了较为丰富的成果。目前发展起来的压铸模CAD开发方法主要有两种：一种是基于通用CAD软件平台进行开发，如Pro/E、UG等；另一种是根据Windows环境下可视化编程语言编写CAD核心程序，核心程序以外的部件由其他专业CAD软件开发，如对于图形处理功能，可采用UG、Pro/E、AutoCAD、SolidEdge、SolidWorks等软件来实现。压铸模CAD技术的发展趋势如下。

① 面向压铸件特征的建模技术。基于特征的产品定义模型是目前被认为最适合CAD/CAM集成的模型，它把特征作为产品模型的基本单元，将产品描述为特征的集合。

② 压铸工艺并行设计系统模型。并行设计法是一种系统工程设计方法，它在产品的设计阶段就考虑到零件的加工工艺性、制造状态、产品的使用功能状态、制造资源状态、产品工艺设计的评价与咨询以及产品零件公差的合理设计等。

③ ES技术与CAD技术的结合。在CAD系统中引入ES（expert system，专家系统）技术，形成智能CAD系统。它采用人工智能技术，运用知识库中的设计知识进行推理、判断和决策，解决以前必须由人类专家解决的复杂问题。由于知识库中的知识来源于很多人类专家长期积累的经验，因此，一个成功的CAD专家系统可以达到甚至超过领域设计专家的水平。

④ 基于BP神经网络的压铸工艺参数设计。采用模拟人脑形象思维特点的神经网络来处理和分析在压铸工艺设计领域中大量出现的反映设计人员知识经验的模糊、定性型数据和符号信息。

⑤ 模糊集合理论在压铸工艺中的应用。根据模糊集合理论，实现压铸工艺设计过程的模糊智能化推理过程。

⑥ 结合数值模拟分析的评价知识系统。在数值模拟后处理过程中引入知识处理机制，建立起对数值模拟结果进行归纳、分类、推理、判断等系列符号推理方法，对模具设计进行评判并给出修改建议。

⑦ 网络化或协同化。形成信息高速公路（information highway）互联的协同CAD，实现计算机支持协同工作（computer supported cooperative work），达到远程（异地）设计（remote design）的目的，从而最大限度地发挥不同单位、区域、国家的优势，多快好省地进行产品设计。

⑧ 绿色化。绿色化已成为全球不可抗拒的潮流，是人类可持续发展的核心内容之一。绿色设计技术，在以集成、并行的方式设计产品及其相关过程的同时，优化设计方案，减少废品率，使整个生产过程对环境的污染程度降低到最小，资源的利用率达到最高。

（2）压铸模CAD软件的发展概况

目前压铸模CAD工作主要是通过通用的CAD软件来完成。市场上通用的CAD软件很多，主要有三大软件，即Pro/E、UG和CATIA。

Pro/E软件是美国PTC公司的产品。该软件提倡单一数据库、参数化、基于特征和全相关的概念，极大地提高了设计制造的效率。正是由于其首屈一指的全参数化技术，短短十几年时间，Pro/E软件迅速成为世界顶尖的CAD/CAM软件之一。与UG和CATIA软件相比，其参数化设计水平无人能及，但在复杂曲面造型、模块配置、市场占有率方面有较大的差距。

UG是起源于美国麦道（MD）公司的产品，1991年11月并入美国通用汽车公司EDS分部。如今EDS是全世界最大的信息技术服务公司。UG由其独立子公司Unigraphics Solutions开发。UG是一个集CAD、CAE和CAM于一体的机械工程辅助系统，适用于航空航天器、汽车、通用机械以及模具等的设计、分析及制造工程。UG采用基于特征的实体制造，具有尺寸驱动编辑功能和统一的数据库，实现了CAD、CAE和CAM之间无数据交换的自由切换，它具有很强的数控加工能力，可以进行2～2.5轴、3～5轴联动的复杂曲面加工和镗铣。

CATIA是1978年由法国达索公司开始开发的集三维设计、分析、NC加工于一体的CAD/CAM系统软件。CATIA突出的特点就是强大的曲面造型功能，主要应用于汽车、飞机上复杂的外观曲面造型和加工。在国际航空、汽车、造船、机械制造等企业应用十分广泛。

相对于通用CAD软件而言，市场上得到广泛应用的专用压铸模CAD/CAM系统很少，现有的专用压铸模CAD仍处于研发和小范围应用，研发主要集中在以下几个方面。

① 建立压铸模标准件图形数据库，使设计人员能迅速完成模具设计和绘图工作。如德国的HASCO制造厂是欧洲最具规模的标准模具和工具零件厂商之一，具有很先进的带有标准件库的计算机辅助设计系统，较大地提高了压铸模的设计效率。俄罗斯一研究机构研制的压铸型自动设计系统是将铸件分类，设计出成组的压铸模，使用时再将具体铸件划入相应组别，选择合适的压铸模组，结合压铸模组的有关尺寸设计出该铸件用的型腔可换镶件，从而达到提高模具设计效率的目的。

② 简化压铸模浇注系统和模架等的设计。如美国贝特里研究所在1981年开发的锌压铸CAD系统，主要对薄壁锌压铸件进行浇注系统的设计。运行时要求输入压铸机基本参数和铸件相关尺寸，并选择浇道系统的类型和压铸温度等，可设计出横浇道、内浇道和溢流槽的尺寸。德国的H.Johen博士编制基于P-Q2图压铸模CAD软件，通过人机对话的形式，完成压铸模浇注系统的设计工作。哈尔滨理工大学基于AutoCAD软件平台开发的专用压铸模CAD系统，可实现压铸模的设计，但由于AutoCAD软件三维功能较差，目前实际应用很少。华中科技大学基于UG三维软件开发了压铸模CAD模块，结合UG软件本身强大的CAD/CAM功能，以及与华铸CAE软件的集成，极大地提高了压铸模的设计制造效率，具有较好的发展应用前景。

③ 实现压铸件/压铸模温度场、流动场、应力场的数值模拟（即CAE技术），是真正意义上的压铸模的优化设计。从事这方面研究的院校和研究机构很多，目前市场上比较常见的具有压铸CAE分析功能的商用软件主要有国外的Magma、Flow-3d、Procast以及国内的华铸CAE等。实现CAD/CAM集成是目前压铸CAD的重要研究方向之一。

（3）压铸模CAD的内容及设计方法

① 压铸模CAD内容。压铸模的计算机辅助设计内容大致为：在输入铸件具体形状、尺寸、合金种类后，可估计出铸件体积与重量，选择压铸模，设计浇注系统、型腔镶块、导向机构、模板、推出机构等，并选用材质，最后绘出模具图样。

a.压铸件工艺参数的计算。实现对每一种压铸件的压铸工艺参数（如体积、重量、投影面积、浇注温度、模温等）的计算或选择。

b.压铸机的参数选择。完成压铸机各参数（如压射比压、压射速度、锁模力等）的选择与校核。

c.分型面的设计。通过与计算机交互设计确定压铸件的分型线和分型面，完成型腔和型芯区域的提取。

d.浇注系统的设计。通过与计算机交互设计直浇道、横浇道、内浇口、溢流槽、排气槽等。

e.模具结构的设计。通过概括和总结压铸模设计的规律与经验，运用数字方法由计算机交互进行模具结构的设计，包括型腔和型芯、导柱和导套、动定模套板、定模座板、动模支撑板、动模垫块、动定模座板等的设计。

f.推出机构的设计。完成包括推杆固定板、推板、推杆基本尺寸的设计计算及强度校核。

② 压铸模CAD设计方法。压铸模CAD可采用通用CAD软件和专用CAD软件来完成。实际应用中一般采用以下设计方法。

a.由于通用CAD软件如UG、CATIA、Pro/E等具有强大的实体造型、曲面造型以及较好的布尔运算功能，因此可直接应用其三维造型模块逐步完成零件、铸件、模具的三维设计。此种方法适用于一些简单压铸模的设计，但对于一些复杂的压铸模，设计过程中存在容易出错、修改困难等问题。

b.同样是基于通用的CAD软件，但为了减少出错的几率，可采用近年来开发的装配建模技术，如UG的wave功能，以实现压铸模的设计。

c.考虑到压铸模和注塑模的相似性，直接套用某些专用的注塑模模具软件，如UG的注塑模具模块（Moldwizard）（或Pro/E的Molddesign模块）来进行压铸模的设计，可极大地提高模具的设计效率。但由于注塑模和压铸模在模架、工艺方面还存在一定的差异，使用具有一定的局限性。

d.采用某些专用压铸模CAD软件如华铸压铸模模块来进行压铸模设计，其设计效率可以得到较大的提高。

（4）基于UG/Moldwizard的压铸模CAD系统应用

UG/Moldwizard是UG软件中用于注塑模具自动化设计的专业应用模块，但由于压铸模设计与注塑模设计步骤有很多相同的地方，例如分型面的选择、拔模方向、收缩率、顶杆、复位杆等的设计原理是一样的。下面以背投电视冷却腔为例，介绍基于Moldwizard的压铸模设计方法。产品材料：ADC铝合金，厚度4mm；产品功用：冷却作用；产品要求：尺寸精度要求较高，表面要求较高，耐高温，要有很好的力学性能。

① 项目初始化。背投电视冷却腔通过UG三维造型模块来完成，见图1-16。通过初始化对话框完成模具设计项目初始化，在弹出的“项目初始化”对话框中，设置“投影单位”为毫米，改变项目路径，创建文件夹，设置“部件材料”为“无”，因为铸件的材料是铝合金，在UG的数据库中没有该零件的收缩率，因此在此处暂时不确定铸件的收缩率。加载产品后，在“装配导航器”中系统自动产生模具装配结构。

② 模具坐标系的确定。主要用于产品的重新定位，以便把它们放置在模具装配里的正确的位置上。Moldwizard规定坐标原点位于模架的动、定模板接触面的中心，坐标主平面或XC-YC平面定义在动模、定模的分模面上，ZC轴的正向指向金属液浇注口，见图1-17模具工作系。

③ 设置收缩率。主要用于产品模型冷却时收缩后的补偿，即先放大产品，以便产品在冷却时收缩后达到产品的尺寸要求。Moldwizard将所产生的放大了的产品造型取名为“Shrink part”，该造型将用于定义模具的型芯和型腔。这里将收缩选为X、Y、Z均为1.005。收缩率的设置见图1-18。

④ 工件尺寸的确定。主要用于定义型腔和型芯的镶块体。Moldwizard中用一个产品体积略大的材料块，将产品包容其中，通过分模功能使其成型，作为模具的型芯和型腔，其对话框见图1-19定义成型镶块。

根据压铸模设计手册，本零件选用如下镶块尺寸：

“X向长度”设置为“255”， “Y向长度”设置为“230”，“Z向下移”设置为“97”，“Z向上移”设置为“86”。

⑤ 型腔数量的确定及型腔排列。主要用于定义型腔的数目和布局的类型。由于本零件体积大，质量重，采用一模一腔，以保证零件的成型。在“型腔布局”对话框中单击“自动对准中心”按钮，见图1-20型腔布局。

⑥ 模具工具。帮助创建分型几何体，包括实体和面补丁、分割实体，及创建扩大面等。在作外部分型面之前，可以使用这些功能来为产品模型的内部开口部分创建分型面和实体。修补后的零件见图1-21。

⑦ 分型面的确定和型芯、型腔创建。主要用于创建和编辑分型线和分型面以及创建模具的型腔和型芯，是Moldwizard模具设计过程中难度较大的部分。在基于修剪的型腔和型芯分型中，产品模型的内、外表面相交线是产品模型的分型线，分型线向成型镶块外延伸，就形成了产品模型的分型面。用产品模型的分型面和产品模型的外表面组成的切割面去分割成型镶块，从而分割出型腔零件；用产品模型分割面与产品模型的内表面做成的切割面去分割成型镶块，分割出型芯零件。

系统自动识别并高亮显示分型线，为分型线设置过渡点，分型线和设置的过渡点见图1-22。分型线和过渡点设置后，进行创建分型面，分型面就是模具动模和定模的接触面。搜索产品模型的分型线，创建了分型面后，分别用型腔修剪片体和型芯修剪片体分割成型镶块，获得两个独立的型腔零件和型芯零件的过程，称为型腔和型芯分型。分型前要检查型腔零件分割面和型芯零件分割面有没有被遗漏修补的孔和间隙，是否能形成整体无孔、无间隙的修剪片体。单击“分型管理器”对话框上的“抽取区域和分型线”按钮，弹出“区域和直线”对话框如图1-23所示。单击“边界区域”，弹出“抽取区域”对话框，如图1-24所示。选择“边界边”单选按钮，该对话框显示分模零件上的面的总数和型芯型腔上的面的总数。总面数必须等于型腔面数和型芯面数之和，即可实现正确分型。

单击“分型管理器”对话框中“创建型腔和型芯”按钮，系统弹出“型芯和型腔”对话框，见图1-25。单击“自动创建型腔型芯”，得到型芯和型腔片体见图1-26，型芯模型见图1-27，型腔模型见图1-28。

⑧ 顶出系统的设计。主要用于改变用标准件功能创建的顶杆的长度并设定配合的距离（与顶针孔有公差配合的长度）。

单击Moldwizard模块的“标准件”按钮，弹出“标准件管理”对话框，在“目录”下拉列表中选择“HASCO_MM”选项，选择“Ejector Pin（Straight）”选项，设置“CATALOG_DIA”为6，“CATALOG_LENGTH”为200，见图1-29“标准件管理”对话框。单击“确定”按钮，弹出“点构造器”对话框，并设置添加顶杆的点分别为（-5,55,0），（-30,56,0），（25,48,0），（5,-55,0），（-25,-48,0），（30,-56,0），见图1-30。单击工具条上“顶杆”按钮，弹出“顶杆后处理”对话框，如图1-31所示，依次选择上面添加的顶杆，修剪顶杆。

⑨ 侧向分型与抽芯机构的设计。主要用于创建编辑滑块和抽芯。

单击Moldwizard模块的“滑块和顶料装置”按钮，弹出“Slidet/Lifter Design”对话框，见图1-32。选择“Single Cam-pin Slide”，选择“尺寸”选项卡，设置“travel”为40，设置“cam-pin-angle”为20，设置“heel_angle”为23，设置“wide”为118，滑块创建。并利用“WAVE几何链接器”功能，设计创建侧型芯，见图1-33侧向分型与抽芯机构。

⑩ 型腔的建立。主要用于剪切相关的或非相关的腔体，即建立模具完整的腔体，用于型芯和型腔的装配。

单击Moldwizard模块的“型腔设计”按钮，弹出“腔体管理”对话框，如图1-34所示。选择模具的型腔和型芯为目标体，选择建立的顶杆和滑块为刀具体，建立腔体。整体模具效果图如图1-35所示。

本例中只使用Moldwizard功能中的分模和顶杆以及滑块的添加功能，如要完成整个模具的结构，则要通过创建实体来实现。设计时，由于产品的侧面有形状，为了使零件能够成型和脱模，需要有两个侧型芯。

（5）基于Pro/E的压铸模CAD系统应用

Pro/Molddesign模块是Pro/E系列软件中的通用模具设计模块，其模具设计既可以实现产品设计、模具装配、分型面的构造、分型等模具设计操作，又提高了模具设计过程中一些必要的分析功能，如投影面积、拔模检查、分型面检查、干涉检查等。与Pro/E的EMX（expert moldbase extension）模块相配合，可以建立标准的模架、滑块及斜销等标准件。下面以某零件为例，介绍基于Pro/Molddesign模块的压铸模设计方法。

① 零件设计。产品可以采用Pro/E中的零件设计（part design）或是零件装配（assembly design）模块进行创建，也可以从UG等其他软件建立好后，通过交换格式（IGES、STEP等）输入。采用Pro/E零件设计模块建立的固定支架三维模型如图1-36所示。完成零件设计后，就可以进入Pro/Molddesign模块进行模具设计。

② 模具装配。进入Pro/Molddesign模块环境后第一步就是进行模具装配。模具装配与零件装配相同，主要是将前面构造好的三维零件作为参照模型和成型镶块装配在一起，为后续的开模做准备。成型镶块可以采用零件设计或者指定模具原点及一些简单参数确定。图1-37为参照模型与成型镶块的模具装配示意图。

③ 设置收缩率。Pro/Molddesign模块不仅可以分别对X、Y、Z三个坐标轴方向设定不同的收缩率，也可对单个特征或尺寸个别做缩放。

④ 创建分型面。分型面的创建与一般特征曲面一样，也是模具设计中最关键和最有难度的一个环节，既需要熟练的曲面造型操作技巧，也需要丰富的实践经验。如图1-38所示为固定支架的主分型面及滑块分型面。

⑤ 建立模具分块。模具分块最简单的办法是利用前面构造的分型面将模具装配中的模具镶块分割成两块，即定模和动模，如图1-39所示为固定支架分割体积块。在此基础上，再构造出滑块抽芯、浇注系统等机构。

1.6.2压铸模CAE

随着压铸工业的迅速发展及对压铸件质量要求的提高，人们更加注重对金属液充型过程的探索和揭示，以便设计出合理的浇注系统，从而形成有利的充型方式，获得优质压铸件。压铸CAE是建立在数值模拟技术上的分析优化技术，借助CAE技术可实现对连续多周期生产全过程的模拟分析，实现对压铸过程的充型凝固模拟、压铸模具温度场的模拟，评价模具冷却工艺和判断模温平衡状态，评估可能出现的缺陷类型、位置和程度，帮助工程技术人员实现对生产工艺进行优化和对铸件质量的控制。

CAE技术是一门以CAD/CAE技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算力学和传热学、流体力学等的有限元、有限差分、边界元、结构优化设计及模态分析等方法为理论基础的新技术。压铸模CAE主要以压铸件充型的流动场数值模拟、压铸模/压铸件温度场模拟、压铸模/压铸件应力场数值模拟为主。目前已经达到实用化水平，国内外均有商品化软件出现，国外主要有德国的MagmaSoft、美国的ProCAST和Flow3D、韩国的AnyCAST等，国内主要有华中科技大学的华铸CAE、清华大学的FT-Star、中北大学的CastSoft等。

（1）压铸模CAE的原理

在压铸生产过程中，液态或半固态的金属在高速、高压下充型，并在高压下迅速凝固，容易产生流痕、浇不足、气孔等铸造缺陷，同时易于造成模具的冲蚀、热疲劳裂纹等，缩短了模具的使用寿命。因此，充分了解充型过程的流动和换热规律，设计合理的铸件、铸型结构及浇注系统，选择恰当的压铸工艺参数，实现理想的型腔充填和模具的热平衡状态，不仅可以降低铸件废品率，提高铸件质量和压铸生产率，而且可以延长模具使用寿命。

模具设计首先要保证模具在其使用中的工艺合理性。对于压铸模而言，就是要保证压铸工艺能达到最佳的合理性。传统的压铸模设计过程，很难在模具制造之前优化出最佳的压铸工艺，往往要在模具制成之后，在使用过程中需要修补，甚至重做，才能实现预期的工艺目标。这就可能造成很大的浪费，也很难保证模具及其所实现的工艺的质量以及模具的开发周期。

在现代压铸模设计中，按照虚拟制造和并行设计的思想原则，借助于CAE技术可实现对连续多周期生产全过程的模拟分析，变未知因素为可知因素，并分析易变因素的影响，实现对压铸过程的金属液体充型凝固模拟、压铸模温度场、压铸模应力场的模拟，评价模具冷却工艺和判断模温平衡状态，评估可能出现的缺陷类型、位置和程度，设计合理的铸件、铸型结构及浇注系统，选择恰当的压铸工艺参数，然后围绕此方案进行模具的力学分析和结构设计，保证其合理的力学结构。这种具有过程和质量前瞻性的科学的设计方法，不仅节省了模具开发制造的费用和周期，同时也有力地保证了模具及其所实现的铸造工艺的质量。

在这种思路下，压铸模所要实现的压铸工艺的分析、优化过程是在铸造工艺CAE软件的辅助下进行的。铸造工艺CAE软件的核心是铸件充型、凝固过程的数值模拟。工艺人员首先根据工艺原则和已有的经验拟定一个原始的工艺方案，将此方案交由CAE软件进行模拟分析，找出该方案的弊病，然后针对弊病进行改进，得出新的工艺方案，再交CAE软件进行模拟分析，如此循环，直至得到满意的工艺方案。由于这一过程在电脑上完成，避免了大量实际生产试验的消耗，缩短了模具的试制周期，具有更科学的合理性，因此是一种理想的先进的分析方法。

铸件充型、凝固过程数值模拟的基本思路是用有限元分析方法（有限元或有限差分）对充型凝固过程相应的流动、温度、应力应变等物理场所服从的数理方程进行数值求解，得出这些物理场基于时空四维空间分布与变化的规律，由此引出相应的工程性的结论。一般而言，这些数理方程都是时空四维空间里的二阶偏微分方程，这种方程只有在极其简单的边界条件下才有可能通过数学推导的方法求得解析解，而在实际情况下，边界和初始值条件都非常复杂，不存在通用的解析解。但是，借助高速发展的计算机及其相关技术，采用数值求解方法，这些复杂的边界初值问题可以得到完满的解决。多年来，实践中已经涌现出大量成功的范例，证明数值求解不仅能解出方程，而且确实能辅助铸造工艺的优化。

（2）压铸模CAE采用的数值计算方法

工程数值模拟常用的方法包括有限差分法（finite difference method，简称FDM）、直接差分法（direct finite difference method，简称DFDM）、有限元法（finite element method，简称FEM）和边界元法（boundary element method，简称BEM）。其中，压铸模CAE最常用的方法是有限差分法（FDM）和有限元法（FEM）。有限差分法一般用于压铸模充型凝固模拟，而有限元法常用于压铸模具的力学分析和结构设计。

① 有限差分法。有限差分法（FDM）又称泰勒展开差分法，最早用于传热的计算方法。该方法具有差分公式导出简单和计算成本低等优点，目前已成为应用最为广泛的数值分析方法之一，绝大部分流动场和温度场数值模拟计算均采用此方法。

有限差分法把基本方程和边界条件（一般为微分方程）近似地改用差分方程表示，把求解微分方程的问题转换为求解代数方程的问题。国外不少学者都用有限差分方法进行过研讨，以密执安大学的Pehlke教授为首的研究小组从1968年开始相继以显式有限差分、交替隐式和Saul’yev有限差分格式建立了数值计算模型，对T形、L形铸钢进行计算，给出了温度场、等温线和等时线分布图。国内大连理工大学、沈阳铸造研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学等单位的铸造工作者也在这方面开展了研究。FDM在缩孔、缩松预测，组织形态预测及流场模拟等方面都表现出很大优势及良好的前景。

② 有限元法。有限元法（FEM）又称有限单元法、有限元素法，从20世纪60年代初开始在工程上应用到今天，其理论和算法都经历了从蓬勃发展到日趋成熟的过程，现已成为求解复杂工程和产品的结构强度、刚度、稳定性、动力响应、热传导、三维形体接触、弹塑性等力学性能的必不可少的数值计算工具，同时也是处理连续力学问题以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

有限元法的核心思想是结构的离散化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要，解决理论分析无法解决的复杂问题。对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。

有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法，它克服了有限差分法网络形状固定、在曲面离散时会有阶梯现象的缺点，单元划分更灵活，对曲面可以实现很好的拟合，但其离散法复杂，对硬件要求高，限制了应用的广度，各种基于几何造型系统的有限元分析系统应运而生，如计算机辅助有限元分析（computer aided finite element analysis，简称CAFEA）已成为计算机辅助工程的重要组成部分，是结构分析和结构优化的重要工具，同时也是计算机辅助4C系统（CAD/CAE/CAPP/CAM）的重要环节。

（3）压铸模CAE的基本内容

压铸模CAE是指建立在数值模拟技术基础上的分析优化技术，主要包括传热凝固分析、流动充型分析、应力/应变分析等，其中传热分析、凝固分析以及流动与传热耦合分析已很成熟，可以有效地指导实际压铸生产。

① 流动充型分析。铸件充型过程金属液的充型流动不仅会对卷气、夹渣、流痕、浇不足等铸造缺陷产生直接影响，充型过程中的换热所形成的铸型铸件凝固过程初始温度的分布，还会直接影响凝固过程的模拟结果。

充型过程是黏性不可压缩流体（金属液）在型腔中流动充填的过程，首先应满足的是流体动力学方程，即Navier-Stokes方程：

铸件金属液按其力学属性属不可压缩流体，型腔内的流场属无源场，在充型过程中，对于已填充的单元，还应满足连续性方程：



　　（1-4）

随着压铸工业的迅速发展和对压铸件质量要求的提高，人们更加注重对金属液充型过程的探索和揭示，以便设计出合格的浇注系统，从而形成有利的充型方式，以获得优质压铸件。但压铸充型是瞬态过程，且在不透明的压铸型腔内完成，因而难以预测。随着计算机及数值计算技术的完善，利用计算机对充型过程进行数值模拟已成为可能。

在压力铸造条件下，金属液在高压下以10～30m/s的速度充型，这使得金属液以喷射湍流状态进入并充填型腔；又由于压铸件的普遍特点是结构复杂、壁薄，使得压铸过程分析模拟较为困难。压铸的这种工艺和结构上的特点，使得压铸过程数值模拟比普通重力铸造条件下的数值模拟更为困难。为此，针对压铸过程的数值模拟必须能够处理如下问题：

a.方便地处理复杂实体建模。

b.较为准确地处理湍流流动、充型中气体及其液体相互作用对流动过程的影响。

c.处理好包括铸件、模具和冷却通道等在内的复杂传热问题。

为了很好地解决上述问题，要求模拟软件应有广泛的数据接口、变网络分析能力、巨大的计算容量、较高的计算速度以及较好的湍流处理能力。

② 传热凝固分析。温度场变化和铸件凝固是一种热量再分配的过程，推动这种热过程的动力因素有两种，其一是温度差，由温度差造成热流，由热流差形成的热堆积引起温度变化；其二是相变潜热，潜热作为一种热源在温度场中同样引起相应的温度变化效应。定量描述这些变化规律的基本关系就是Fourier方程：



　　（1-5）

式中　　　T——温度；

　　　t——时间；

　　　ρ——密度；

　　　λ——热导率；

x，y，z——空间坐标；

　　　cp——质量定压热容；

　　　L——相变潜热；

　　　gs——固相率。

式（1-5）右边的第一项是三个方向上热流差造成的热堆积，第二项是相变潜热，只在相变时产生。式（1-5）左边是热效应引起的温度变化。此式的物理意义是：温度场中任一点温度的变化取决于该点处热流差造成的热堆积与相变潜热释放两种热效应之和。

铸造凝固过程数值模拟技术是通过数值分析的方法，模拟金属由液态到固态的冷却过程，预测与凝固过程相关的铸造缺陷。这一领域的研究从开始到成熟，经历了三十多年的时间。归纳起来，这些工作主要分以下几个方面。

a.数值计算方法的选择。铸件凝固过程数值计算方法一般都采用了传热学理论与计算技术。目前已经发展了有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、直接差分法（DFM）、边界元法（BEM）等多种数值方法。

b.潜热处理。凝固过程伴随着潜热释放是铸件成型过程的一大特点，潜热因素对铸件温度场的计算有很大的影响，必须加以考虑。一般对潜热有如下三种处理方法：温度回升法、等价比热法、热焓法。

c.缩孔缩松预测判断。

d.铸件/铸型的界面传热问题。

对于压铸过程温度场需要处理以下特殊问题：

a）模具的预热问题。

b）模具的冷却问题。

c）一个生产周期的多阶段模拟问题。

d）多生产周期的模拟问题等。

性能良好的模拟软件应能较好地处理上述问题，并且在此基础上可以优化模具壁厚、模具预热方案、模具冷却工艺、预报模温平衡、最佳开模时间等。

压铸过程传热分析，同样要求模拟软件应有广泛的数据接口、变网络分析能力、巨大的计算容量以及较高的计算速度。

③ 压铸模应力场模拟。压铸模应力场模拟是建立在温度场模拟基础之上的，是一个较新的研究领域。压铸模应力场计算的力学模型主要有：热弹性模型、热弹塑性模型、理想弹塑性模型、热弹黏塑性模型和热弹塑性蠕变模型，其中热弹塑性模型和热弹塑性蠕变模型的精度要高。其中热弹塑性模型被广泛使用。对于材料的非线性问题一般处理成双线性模型，即将应力—应变曲线简化为双线性，弹性阶段和塑性阶段都为线性。

对于弹塑性材料，根据应力应变间增量关系建立起来的增量理论，可以真实地描述材料的塑性行为。描述材料的塑性行为的基本法则包括屈服准则、流动准则和强化准则。屈服准则描述了材料开始塑性变形的应力状态，在金属材料的有限元分析中，通常采用米塞斯（Von Mises）屈服准则。流动准则描述了当材料发生屈服时塑性应变的方向。强化准则描述的是初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。

应力场模拟多采用热—力耦合模型来模拟铸件凝固过程中的物理变化，包括传热、应力应变及缺陷形成等。热—力耦合可分为直接耦合、间接耦合，也称为双向耦合、单向耦合。双向耦合一般用在FEM/FEM或FDM/FDM联合分析中，要求温度场和应力场都采用相同方法，这样就可以使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到温度场和应力场的分析结果。单向耦合是首先进行温度场的分析，然后将求得的温度作为体载荷施加到应力分析的三维模型中。

目前，压铸模应力场模拟研究正在大力开展中，国外也只有德国MagmaSoft可对压铸件、压铸模进行应力/应变模拟，从而预测铸件、铸型变形和模具寿命，但其准确性有待进一步提高。

（4）压铸模CAE的关键技术

① 多循环、多阶段技术。多周期、多阶段是压铸生产的一个显著特点，一般来说，每个压铸生产循环包括压射阶段、凝固阶段、开模（空冷）阶段。每一个阶段各有其特点，压射过程的模拟主要是流动与传热耦合计算；凝固阶段为传热凝固计算；开模阶段主要是传热计算。每一个阶段的计算结果为后一个阶段提供初始条件，特别是在开模空冷阶段的模拟计算。

20世纪90年代的多循环模拟往往是基于“瞬间充型、初温均布”的假想，或只进行一个循环的充型模拟，这样的处理会大大影响计算的准确性。随着技术的进步，对每个循环的充型阶段进行准确模拟成为可能。但在微机上要进行十几个多循环的模拟计算速度依然比较缓慢，异位网络计算技术可以较好地解决此问题：对同一个分析对象，准备两套网络，其中一套网络尺寸大、网络数少用来做充型耦合计算；另外一套网络尺寸小、网络数多用来做传热计算。这样的处理既可以加快多循环计算速度，又可以保证传热凝固计算的精度。

② 复杂冷却工艺分析。压力铸造大多采用冷却工艺来控制模具温度，冷却工艺对铸件形成过程有巨大的影响，模拟时必须加以考虑。而冷却工艺所采用的冷却介质是首先应考虑的因素，对于一种冷却介质，需要输入入口温度、出口温度、密度、比热容、热导率和黏度等参数。

定义了冷却介质后，就可以设置冷却工艺了，可以设置数十个冷却通道，而每个通道又可以有几个冷却阶段，每个阶段需要输入管道内径、开始时间、结束时间、冷却介质的流动速度，从冷却介质库里选择合适的冷却介质后，就可以自动确定界面导温系数。

③ 多相复杂流动模拟技术

a.数学模型。需要强调的是这里的相与热力学中的定义不同，此处是指不同物质的相。在建立数学模型时，认为任意计算单元均同时具有研究对象中的所有相，并且是相互贯穿的连续相，每相在计算单元的比例由“相分率”来确定。在多相流模拟中，每一相均具有自己的流场、温度场、浓度场等，各相间作用由相互传递项规定。多相流的模拟如下：

通用变量方程：

　　（1-6）

式中　　 i——第i相；

　 　R——相分率；

　 　Φ——通用流体变量，可以是速度、温度、浓度等；

　 　Γ——交换系数；

　　 t——时间；

　 　ρ——密度；

　SΦi——单位相体积内的源或汇；

　miΦi——其他相对i相的总贡献；

　　 V——速度矢量。

连续性方程（相质量守恒方程）：

　　（1-7）

所有相的连续性方程的质量和为0，即：

并且 =1。

式中，n为相的总数。

上述方程是一个通用的表达形式，不仅可以用来描述流动场，如果调整式（1-6）的各项或系数，还可以用来表示热传导、辐射及电场问题。

b.数值求解。利用常用的有限差分法（FDM）求解多相流动的数学方程的困难在于如何建立压力校正方程。用各个相质量守恒方程还是用总的连续性方程作为建立压力校正方程的基础，目前还没有定论。一种做法是以总的连续性方程为基础，这样校正的结果虽然可以满足整个对象的总的质量守恒，但各相的质量守恒方程无法保证；另一种方法则是把各相的质量守恒方程加权求和所得到的新的方程作为建立压力校正方程的基础。所谓加权求和的“权”就是为该相的密度的倒数。目前多相流数值求解多采用基于后一种思路的由Spalding提出的IPSA（inter-phase slip algorithm）算法。IPSA算法的具体内容这里不作具体讲述。

除了探求数值解法之外，还需要处理包面张力、湍流问题、固壁问题、初始条件、边界条件、计算稳定性等诸多问题。多相流动，特别是对于最常见的液-气两相流，在处理湍流问题时，常见的K-ε湍流模型仅用于液相的湍流计算。而气相密度很低，与液相比动量小，不需使用湍流模型计算有效黏度，对整体模拟对象而言影响很小。不同于单相流动，多相流动存在相间拖动现象，也就存在一个相间摩擦问题，同时也存在着相间传热问题。这些问题都需要一一妥善解决，以保证计算分析结果的可靠性和可信度。

c.压铸模排气过程的多相流动模拟技术。与普通的铸造生产不同，压铸生产具有高压和高速填充等特点，填充的时间很短，一般在0.01～0.02s，甚至达到千分之一秒。如此高压、高速充型，势必会存在卷气、夹杂等问题。保障液态金属顺利充型，减少铸造缺陷是压铸模设计，特别是浇注系统和排溢系统设计的最重要的任务之一。

压铸常见的排溢系统包括溢流槽和排气槽，其目的都是使液体金属在充型过程中能及时排出型腔中的气体、夹杂物等，保证铸件的质量。溢流槽和排气槽的设置通常与浇注系统一起同时考虑，其作用效果与设置的位置、分布以及数量、容积等因素相关。

传统压铸排溢系统的设计主要靠设计者的知识和经验，经过不断反复的设计—试浇—修改来完善设计方案，对设计者素质的要求很高，同时也大大延长了模具的设计周期，影响了产品的最终质量。

随着铸造数值模拟技术（CAE）的发展，目前已能够对包括压铸的充填过程进行计算分析，预测相关的一些缺陷。如图1-40所示就是利用“华铸CAE”系统模拟的某压铸件的充型过程。

但是到目前为止，市场上常见的商业化的铸造模拟软件系统尚无法准确模拟压铸的排气过程。主要原因是目前的模拟系统分析主要侧重于分析液态金属的单相流动，而不具备分析计算多相（包括液、气、固等）流动的功能。但是压铸排气过程恰恰是典型的液-气两相流，欲对排气过程进行模拟，多相流的模拟是必需的。

为了利用多相流模拟技术分析对比不同排气方案对压铸生产的影响，这里设计了一个简单的铸件，采用三个不同的排气方案。对不同的方案进行了模拟分析。

型腔尺寸为10mm×100mm×100mm，压射入口设在右侧中间，入口速度为12m/s，入口截面尺寸为5mm×10mm。三个排气方案如图1-41（a）～（c）所示，其中，方案a排气孔（10mm×10mm）设在型腔顶部；方案b中排气孔（10mm×10mm）设在型腔右上角；方案c在方案b的基础上再增加一个排气孔（型腔中间偏下）。

基于多相流模拟技术，对上述三个方案进行模拟分析，不同时间的模拟结果如图1-42所示。

上述模拟结果可以看出排气方案不同，充型过程截然不同。0.002s时液体虽尚未完全进入型腔，但三种方案随排气孔位置与数量不同，气相的速度场分布已明显不同。0.02s时，液体前沿已抵达左壁，将型腔分割为上下两部分，因a、b两方案的下部分没设排气通道，此时气相压强将随液体进入而迅速升高。压强升高的气体必然对进入的液相产生上抬压力，故从0.016s开始液相被上抬趋势非常明显，但方案c因在下部设有排气孔而不存在此问题。0.2s时，方案c下部已全部充满，但前两个方案的充型还远没有结束。由此可以看出，排溢系统的设计对于压铸生产来说是何等的重要，一个设计优良的排溢方案是高质量压铸产品生产的关键。另外，该技术可以定量描述液、气两相的压强，气体的逃逸速度和流量、液、气两相的任意时刻体积比以及两相的接触面积等参数。

（5）压铸模CAE软件的结构

铸造CAE软件工作的依据是铸件充型及凝固过程的数值模拟，而数值模拟的核心则是数理方程的有限分析求解，实用铸造CAE软件大多是用有限差分法（FDM）进行数值求解。从总的结构来看，基于有限差分方法的软件一般都划分为前置处理、数值求解、后置处理三大模块。

① 前置处理。前置处理模块的主要任务是三维接口、网络剖分、几何识别和单元标识，通常称为网络剖分，选择适当的单元尺寸，将整个域空间划分成一系列小立方体，形成网络构造，并相应地建立一个巨大的三维数组，用数组里的每个数组元素分别去对于网络中的一个小立方体单元，然后进行几何识别，也就是扫描每一个立方体单元，按其与STL描述的各表面之间的相对几何关系，区分出每个立方体单元各落在铸件铸型系统的哪一部分，是铸件内，还是铸型内、型芯内、冷铁内等。识别的结果用一个专门的数组进行标识，这种标识既包含了几何信息，也包含了物理信息，是以后迭代计算和后处理的基本依据。

目前流行的铸造CAE软件，包括国外品牌的一些软件，如德国的MagmaSoft、美国的ProCast，以及国内的华铸CAE/InteCAST、FT-Star等，大都采用STL数据格式与前端三维建模软件进行接口。由于这种数据格式受到绝大多数不同档次三维CAD软件如Pro/Engineer、UG、SolidWorks、AutoCAD等的支持，因此，前端建模工具的可选范围非常宽。

② 数值求解。数值求解是整个软件的核心，其任务是用数值迭代法求解各相应物理场的数理方程，包括流动场、温度场、应力场等。

数值求解阶段，首先要为方程的各有关参数、系数赋值，为温度场、流动场各初始条件各数组元素赋初值。数理方程各系数一般都是各相关的物理性能参数，其值一般都要从相关的数据库查询，因此赋值过程首先包含一个查取参数值的操作，紧接着，要对计算中的一些选项，如时间长、存盘方式、存盘间隔、计算终止方式等，进行选择、设定。这些都是维持适当的、正常的迭代计算所必须的环境，是商品软件为用户提供充分的运行灵活性、为用户提供丰富的服务功能的方式。

③ 后置处理。后置处理是整个软件最终向用户提供各种分析结果的窗口，其基本要求就是可视化。从数值求解中得到的解是一个庞大的数据阵列，要从中提取信息，绘制出能够揭示物理内涵、反映工程因果的各种可视化图形，让用户能从数值解数据中得到有助于工艺设计的辅助信息和判断依据，这是后处理首先要做到的。铸件结构一般比较复杂，表达复杂的三维关系还需配合旋转、剖切、透视等手段，后处理既要在用户操作的环境下向用户提供这些手段，又要稳定可靠、方便灵活。

图形和动画是后处理的两个主要表达方式，作为商品软件，不仅要能提供这些表达，更重要、更难做的是向用户提供一种最方便、最简洁的操作环境，使用户在其中能够轻松地实现所需要的表达。为此，软件要具备多选项、多方式的图形生成功能，具备多种灵活性的动画剪辑与合成功能，还要为这些图形动画提供丰富、便利的显示和播放功能。

铸件的质量主要取决于充型凝固过程，铸件的缺陷也大都形成于此过程。过程是第四维变量时间t的函数，准确地模拟显示一个三维过程，最贴切的方式莫过于三维动画。充型中的涡流、翻卷，凝固中液相的孤立、通道的隔断等，都需要动画表现，只有在动画观察下才能得到过程细节最准确、最细腻的把握。

（6）国内外现流行的压铸模CAE软件介绍

① MagmaSoft。Magma是全球最大的专业铸造模拟分析软件公司，为全球超过900家客户提供铸造生产、工艺解决方案，铸型及模具设计的全面工具。MagmaSoft软件是为铸造专业人员改善铸件质量、优化工艺参数而提供的有力工具。借助计算机技术可以降低铸造工艺的整体成本。运用仿真传热及流体的物理行为，加上凝固过程中的应力和应变，微观组织的形成，MagmaSoft软件可预测缺陷，改善现有工艺的效率及提高铸件质量。

a. MagmaSoft的作用

a）优化铸件及工艺过程设计。

b）降低成本，提高效益。

c）优化模具热平衡以提高模具寿命。

d）优化浇注方法、工艺条件，提高铸件质量。

e）降低生产准备时间，减少模具试模及修改，缩短开发周期，提高市场竞争力。

f）应用高新技术，提高用户对企业的信心。

b. MagmaSoft产品介绍

a）全菜单化用户界面。

b）项目管理模块。

c）前处理包括集合实体建模、CAD数据接口和自动网格划分。

d）工艺参数输入及主处理模块。

e）热物理特性数据库模块。

c.综述

a）开发公司：Magma Foundry Technologies，Inc。

b）国别：德国。

c）网址：www.magmasoft.com。

d）计算机平台：Silicon Graphics，Hewlett Packard，IBM，Sun和Windows NT。

e）适用范围：各种铸造合金，特别是特种合金的砂型铸造、壳型铸造、熔模铸造、压力铸造、低压铸造、金属型铸造等。

f）开发背景：由德国Technical Uinv.of Aachen和Magma Gmbh以及丹麦Technical Univ.of Copenhagen的铸造科技人员联合开发的MAGMA软件是一个高级的三维流动场、温度场和残余应力场分析软件包，适用于大多数铸造方法。

g）培训、技术支持和软件更新：Magma公司用有经验的铸造工程师而不是软件开发人员来提供培训和技术支持。

h）软件特点：软件具有建模、充型分析、凝固分析、显微组织分析、残余应力分析、铸件变形分析和CAD等功能。

② ProCAST

ProCAST软件是由美国UES公司开发的铸造过程模拟软件，采用基于有限元（FEM）的数值计算和综合求解的方法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场、电磁场进行模拟分析。

a.模块。

（a）基本模块：包括温度场、凝固、材料数据库及前后处理。

（b）剖分模块：产生输入模型的四面体网络。

（c）流动模块：对铸造过程中的流场进行模拟分析。

（d）应力模块：对铸造过程中的应力场进行模拟分析。

（e）微结构模块：对铸件的微观组织结构进行模拟分析。

（f）电磁模块：对铸造过程中的电磁场进行模拟分析。

（g）辐射模块：对铸造过程中的辐射能量进行模拟分析。

（h）逆运算模块：采用逆运算计算界面条件参数和边界条件参数。

b.模拟过程

（a）创建模型：可以分别用IDEAS、Pro/Engineer、UG、PATRAN、ANSYS作为前处理软件创建模型，输入ProCAST可接受的模型或网格格式文件。

（b）MeshCAST：对输入的模型和网格文件进行剖分，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。

（c）PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.out和xxp.out文件。

（d）DataCAST：检查模型及precast中对模型的定义是否有错误，如有错误，输出错误信息，如无错误，将所有的模型信息转换为二进制，生成xx.unf文件。

（e）ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf。

（f）ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。

（g）PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。

c.应用范围：砂型铸造、金属模铸造、熔模铸造、高/低压铸造、精密铸造、蜡模铸造、连续铸造等多种铸造过程。

d.综述

（a）开发公司：UES Software，Inc。

（b）国别：美国。

（c）网址：www.ues-software.com。

（d）计算机平台：Windows NT和UNIX。

（e）使用范围：各种铸造合金的砂型铸造、壳型铸造、熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、消失模铸造、连续铸造、离心铸造等。

（f）培训、技术支持和软件更新：培训方式为每个月3天的授课；技术支持在工作日的上午8点到下午5点通过电话或电子邮件的形式获得；对于租借使用软件和已经购买了每年维修协议的用户，公司将提供软件更新服务。

（g）软件特点：采用有限元方法，软件具有建模、充型分析、凝固分析、显微组织分析、残余应力和变形分析、对流和辐射分析等功能。

③ FLOW-3D

FLOW-3D是国际知名流体力学大师Dr.C.W.Hirt毕生之作。从1985年正式推出后，在CFD（计算流体动力学）和传热学领域得到了广泛的应用。对实际工程问题的精确模拟与计算结果的准确都受到用户的高度赞许。

a. FLOW-3D的特点

（a）FLOW-3D独自的FAVORTM技术和针对自由液面（free surface）的VOF方法为常见的金属液压铸与水力学等复杂问题提供了更高精度、更高效率的解答。

（b）FLOW-3D自身完善的理论基础与数值结构，也能满足不同领域用户的需要。如小到柯达公司最高级相片打印机的喷黑头计算，大到NASA超音速喷嘴与美国海军舰艇油系统的设计，近年来更针对生物医学科技中的电泳进行新模型的开发及验证。

（c）为满足不同用户的特殊需求，FLOW-3D程序开放了附加程序编写的功能，并配有FORTRAN的核心可直接编译，完成后即可直接加入程序中使用，使得软件的灵活性更高、更加专业化。

（d）同时为了促使用户间的交流，正版FLOW-3D亦附有USER NUMBER，通过该编号用户可进入技术网站中，参阅内部技术文件与前人之算例，并直接提出问题，将会有总公司FLOW SCIENCE工程师立刻作出全面的答复。另外每年十月份总公司召开国际的FLOW-3D USER’s Conference更是不容错过，在议程中将会FLOW-3D见到在不同领域研究上突出的表现和新的应用的讨论。

（e）FLOW-3D 9.0新版本保留了旧版本所有功能的基础上，又增加了新的物理模型，如具有六个自由度的运动物体、空气夹带、温度应力和变形、微观缩松。同时也改善了原有的算法和增加了新的算法。

（f）在金属铸造方面，高品质的铸件常需通过大量的实验和修改模具才能达到，但现在使用FLOW-3D计算机仿真技术可以准确地模拟型腔的浇注过程，可以精确地描述凝固过程，也可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。

（g）FLOW-3D提供了五十多种铸件和十几种铸型材料数据库。

b. FLOW-3D的应用范围：砂型铸造、消失模铸造；高压、低压铸造、重力铸造、倾斜铸造；熔模铸造、壳型铸造；触变铸造等。

c.综述

（a）开发公司：Flow Science，Inc。

（b）国别：美国。

（c）网址：www.flow3d.com。

（d）计算机平台：SGI，Sum，DEC，HP，IBM以及Windows95/98/NT。

（e）适用范围：砂型铸造、压力铸造、金属型铸造、消失模铸造、半固态铸造、倾斜浇注和离心铸造等。

（f）培训、技术支持和软件更新：在Flow Science公司培训3天（包括授课、个别辅导和疑难解答），技术支持由经过严格培训的工程师通过传真、电话和电子邮件的方式来提供。每年将给所有的用户提供软件的更新服务。

（g）软件特点：FLOW-3D的开发是基于美国Los Alamos国家实验室开发的计算方法。自从1985年发布以来，FLOW-3D软件已经逐步具有多种物理场模型、高级数字化技术和强大的前置处理和后置处理等功能，主要包括建模、充型分析、凝固分析、显微组织分析和CAD等功能。

④ FT-Star

FT-Star是由清华大学机械系CFIT研究室开发的真三维数值凝固模拟软件包，也是国内铸造领域的第一个商品化软件包。它是CFIT研究室在原XENIX操作系统下的FTSolve 6.0软件的基础上发展和完善起来的。该系统充分利用Windows的资源，界面良好，操作方便，易于掌握和维护，且具有良好的后处理显示效果。新版本在前处理、模拟运算、后处理等方面都作了较大的改进，增加了STL造型文件处理、铸钢热裂预测、球铁微观组织模拟、缩孔的X射线显示等缺陷，增强了模拟能力和软件功能。“铸造之星”软件包是在对铸件进行三维几何造型，并将实体离散为有限差分网格单元的基础上，辅之以一定的边界条件和热物性参数库，进行三维传热计算，最后根据一定的判断，定量地预测铸件缩孔缩松等缺陷产生的部位和大小。通过优化铸造工艺来消除和避免缺陷的产生，以达到确保铸件内部质量、获取显著经济效益的目的。

FT-Star的主要功能包括：

a.三维几何实体造型；

b.前处理（网络剖分）；

c.数据准备；

d.计算分析；

e.后置处理。

⑤ 华铸CAE/Inte CAST

华铸CAE/Inte CAST是分析和优化铸造工艺的铸造专用软件系统，是华中科技大学（前华中理工大学）经20多年研究开发，并在长期的生产实践检验中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件进行铸造工艺分析；可以完成多种合金材质（包括球铁、灰铁、铸钢、铸造铝合金等）、多种铸造方法（砂型铸造、金属型铸造、铁模覆砂铸造、压铸、差压、低压铸造、熔模铸造等）下的流动分析、凝固分析以及流动和温度的耦合计算分析，曾在多种不同材质复杂铸件的工艺改进、工艺优化中圆满完成增收降废的任务，创造了显著的经济效益和社会效益，博得了众多生产厂家和同行的好评，得到众多厂家或公司的青睐。

目前，华铸CAE系统已推出V8.0版本，集成在Windows下运行。实践证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺、提高产品质量、降低废品率、减少浇冒口消耗、提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验和人员的依赖、保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。

华铸CAE/Inte CAST系统功能包括：

a.前置处理。

（a）三维造型平台用户可任选，绝大多数三维造型功能（包括AutoCAD R14/2000、Pro/E、UG、SOLIDEDGE、SOLIDWORKS、I-DEAS、CATIA、MDT、金银花等）均能与本系统顺利接口。

（b）读取三维造型系统的数据，显示三维实体，检查各实体的装配关系。

（c）灵活的材质序列，允许使用材质种类多达72类。

（d）特有的“优先级别”功能，使造型工作事半功倍。

（e）自动网格剖分、速度快、稳定性好，一般中等复杂程度铸件，剖分千万个网格可在几分钟内完成。

（f）自动容错，使有缺陷的交换文件能够正常使用。

（g）铸件模数自动计算。

（h）剖分结果自动检查。

（i）自动导航功能，使学习非常容易。

b.计算分析

（a）能够进行铸件的凝固分析、充型分析以及流动和传热耦合计算分析。

（b）在微机上凝固分析处理网格数可达数千万个，甚至上亿个，软件不限制网格数，仅受内存限制。

（c）在微机上实现实用的流场分析、流动与温度耦合计算，单元数可达数百万个。

（d）铸件重量自动计算。

（e）铸件体积自动计算。

（f）铸造工艺出品率自动计算。

（g）多种自动存盘方式。

（h）自动现场保护。

（i）自动电源管理。

（j）自动导航功能，使学习非常容易。

c.后置处理

（a）采用最新可视化技术、多媒体技术，丰富、直观、生动，任意实时缩放、任意实时旋转、任意实时剖切。可自动生成X射线透视图、凝固色温图、温度梯度图、铸件结构图、铸型系统装配图、流动向量图、填充体积图、压强分布图、充型温度分布图等。颜色随意调整、画面直接打印。

（b）分析结果三维动画自动合成，动画演示直观准确，透彻明了，动态过程完整细腻。

（c）自动分析任意点温度曲线，鼠标直接点取，直接明了。

（d）铸件（铸型）CT剖切，各种方向，任意剖切，直接明了。

（e）孤立区全自动搜索，自动统计，最终缺陷预测。

以上介绍的国内外优秀的铸件充型和凝固过程软件代表了当今世界铸造业计算机数值模拟的最高水平，可以看出，虽然它们各有特点，各有侧重，但基本都可以完成各种铸造合金在包括砂型铸造在内的多种铸造方法下的充型分析、凝固分析、残余应力和变形分析以及铸件缺陷和性能预测等主要的分析内容，一些软件已可以进行铸件的显微组织分析，这些也正是该研究领域的发展方向。同时，也可以看出国外铸件充型和凝固模拟软件的价格是非常昂贵的，这也将促使国内各大学院校和研究单位尽快开发出与国外软件功能相当、使国内大多数企业能接受的、实用的铸件充型和凝固模拟软件，从而从整体上提高我国铸件生产的质量和效率。

（7）压铸模CAE的应用分析

铸造CAE软件分前置处理、数值求解、后置处理三大模块，这三大阶段必须按次序进行，不能颠倒。首先将压铸模设计完后输出的STL接口文件输入到前置处理模块进行网格划分；然后用压铸CAE系统的计算模块进行充型、凝固过程的计算分析；最后采用后处理模块进行结果显示、缺陷分析，判断模具设计和浇注工艺设计的合理性；若不合理，则反馈到压铸模CAD系统中，对压铸模或浇注工艺进行修改，再输出STL文件，进行模拟分析。