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铸造仿真

Cast-Designer™ 铸造解决方案

铸造设计 · 模拟 · 优化 —— 覆盖高压铸造、重力铸造与熔模铸造的一体化设计分析平台

涵盖整个铸造流程的全面解决方案

CAST-DESIGNER 总览

Cast-DesignerCast-Designer 源自C3P国际工程软件,为铸造行业量身定制,逾30年工程经验,为铸造行业客户和铸造产品提供完整的全面解决方案,包括智能配料,材料报价,DFM评估,流道系统设计,高级全场分析(热/流动/凝固/应力/微观)模拟功能,与人工智能技术CAD驱动全面优化功能。

Cast-DesignerCast-Designer 支持几乎所有的铸造工艺,并且能够准确预测缩孔/气孔/表面流痕/残余应力/变形与收缩等铸造问题,帮助铸造工程师在设计阶段进行方案评估与决策,提高铸件品质与良品率,响应市场时间和品质的严格要求,保持和提升企业竞争力。

Cast-DesignerCast-Designer 将铸造设计与分析有机地融为一体,其核心理念是前端设计与分析,采用CAE分析技术,协助用户进行金属液流动模拟/热交换与凝固分析,帮助工程师在最初的设计阶段,做出正确的方案决策。前端设计和分析技术,业已在工业设计与制造流程中,扮演了越来越重要的角色。

CAST-DESIGNER 总览

覆盖几乎所有铸造工艺

设计方案评估

Cast-DesignerCast-Designer 提供强大的工具协助用户,快速方便地评估不同的设计方案。

例如:现有铸钢件重23.5公斤,如图所示有两个方案:

方案A

方案B

采用 Cast-DesignerCast-Designer, 用户能够通过对比不同的设计方案,预判铸件的流动与凝固缺陷风险,进而优化铸件/流道/冒口/冷铁设计。即便用户毫无CAE经验,也能够快速上手,在短时间内学会如何使用软件进行设计和分析的工作。

设计方案评估
压铸解决方案全景

一条链走完:从产品到工艺,从模具到验证

压铸的问题很少单点出现——产品壁厚不均导致热节,热节倒逼浇口分区,浇口分区又决定机台与成本。Cast-Designer 把这条链上的每一步都做成可计算、可复用的模块,设计数据在模块之间继承,改一处、全线更新。

① 产品可铸性评估 DFM

开模之前先判断产品本身能不能做好:MDI 质量分布、滑块、砂芯、顶出力。

Geo-Designer →

② 精益报价

基于优化生产周期与企业自有成本库,把材料、机器、人工、重熔、报废全部算进去。

成本与利润 →

③ 工艺设计专家系统

输入重量、壁厚、材质,30 分钟产出浇注系统、排溢系统与工艺参数,并用 PQ² 校验机台。

高压压铸 →

④ 模具系统智能设计

流道、顶针、冷却水路三套结构参数化联动,可沉淀为企业模版库。

Smart Runner →

⑤ 仿真求解与分析

FastMesh 随形六面体网格 + FVM/FEM 双求解器,覆盖充填、凝固、应力与全模循环模温。

求解器能力 →

⑥ 镁合金半固态

5%~15% 固相率、10℃ 工艺窗口的专门解法:触变黏度本构 + CPI Setup,温度场实测偏差 ±4℃。

ThixoMoulding →
流动结果

独一无二的网格技术

  • 强大的3D体网格技术,支持四面体单元和六面体单元,自动网格划分;
  • 支持手动模式与批量模式,全参数化,简单易用的Remesh技术;
  • 针对CAD缺陷的特殊处理,如缝隙,重叠面,缺面与未封闭等问题;
  • 丰富的网格技术:局部网格密度,标记点技术,2D面网格技术,Shell网格划分,高级网格光顺,网格质量控制等;
  • 全自动模具网格装配,自动连接节点,支持混合网格类型。
独一无二的网格技术

网格划分实况:从单个铸件到全套模具

高级CFD求解器

Cast-DesignerCast-Designer 的强大流体动力学求解器,基于新一代FVM算法,集成多项先进算法,准确计算流动过程,支持表面张力计算,重力场下的粘性剪切应力Buoyant流动模型,湍流现象,偏析分析与热焓模型。对于流体动力学模拟,算法解决了质量与动能不可调和的问题,不可压缩流体,以及双相流界面跟踪,如空气和金属液的气泡交互模型。

高级CFD求解器

充填与凝固求解实况

Cast-Designer 优化求解器能够支持多准则下的非线性计算,基于人工智能领域的基因算法(遗传算法)

Cast-Designer 优化求解器能够支持多准则下的非线性计算,基于人工智能领域的基因算法(遗传算法)

  • 多目标准则:多目标准则: 支持各种物理场结果信息的优化计算,包括流场,热场,应力场,变形翘曲,微观结构,材料机械性能等。例如,单个或者多个目标的优化计算,铸造工程师希望最大的良品率,最小缩孔率以及充填过程中的流动平衡性。
  • 多变量优化(设计参数或者工艺参数):多变量优化(设计参数或者工艺参数): 设计变量通常有较大的自由度,比如流道造型中的CAD尺寸参数,内浇口位置,或者重力铸造中的冒口尺寸,甚至包括铸件尺寸与形状。另外工艺过程参数众多,诸如浇铸温度,金属液速度,或者热交换系数等。
  • Cast-DesignerCast-Designer 中的基因算法优化求解器,能够在每一次优化计算的子循环中检查收敛目标,比如缩孔体积,并且智能化的设置新的设计变量,比如冒口大小,位置等,并进入下一个循环计算,直到达到目标收敛准则。
  • 支持复杂的复杂的用户自定义公式和方程。

DOE 实验设计

  • 产量:产量: 找出缩孔的最佳位置和尺寸,以尽量减少缩孔。
  • 灵敏度:灵敏度: 确定产生影响的工艺参数的灵敏度,如增加模具温度和增加保温套。
  • 成本:成本: 比较维持较高的浇注温度与次品/生产损失的成本。
  • 可行性:可行性: 确定优化目标,在生产制造过程中,还能够考虑相关铸造约束条件。

过程稳定性

Cast-Designer 优化求解器能够支持多准则下的非线性计算,基于人工智能领域的基因算法(遗传算法)

高压铸造:流道优化

原始设计

优化设置

目标:无卷气的流动过程目标:无卷气的流动过程

  • 优化两个流道横截面之间的比值SR1和SR2
  • 我们设置该比值为K,如果K小于1,那么系统将不设置分支流道,同时比值K会直接影响C和D两个内浇口的面积大小

优化后设计

高压铸造:流道优化

重力铸造:冒口优化

优化设置优化设置

优化后的结果(最好的结果)优化后的结果(最好的结果)

优化后的设计(最差的缩孔)优化后的设计(最差的缩孔)

全组合算法:243个模型

田口算法:27个模型

用户定义的条件可以应用于以上两种方法。

标准计算模型定义需要 30 分钟,优化模型定义需要 1 小时。本案例一共运算了 27 组,耗时 5 小时,采用5个并发数的并行计算版本,工作平台为 20 核英特尔 E5 工作站。

重力铸造:冒口优化
模具网格装配模块

模具网格装配模块

网格技术综述

混合网格: 节约90%的时间

  • 铸件采用六面体网格划分,可以获得更好的流动计算结果
  • 模具采用四面体网格技术,有利于热计算和机械应力计算,计算效果稳定快速,能够支持较大的网格梯度(网格大小过度比例)
  • 网格匹配的难点在于,不同元素类型的界面处节点的连续性(铸件和模具的接触面上)Cast-Designer 能够很好的自动处理这样的过渡连接
  • 相对传统方法,网格处理速度高10倍以上

低压轮圈铸造模型

高压铸造模型含水路

重力金属型铸造模

模具网格装配模块

全模分析与循环模温计算

Cast-Designer 提供了循环生产周期的模拟能力。

支持影响热流和模具热平衡的所有重要参数的定义。

支持生产周期全过程的综合定义。

  • 顶出时间(由时间或浇铸温度控制)
  • 开模顺序(作为时间的函数)
  • 延迟时间(模拟循环中对热平衡的影响)
  • 合模顺序(如时间和温度的函数)
  • 等待时间直到下一个周期
  • 可以模拟不同等待时间的不同结果

模具冷却与温度计算

  • 支持模具冷却与加热管道的全面考虑
  • 每个冷却或加热管道均可独立控制
  • 管道控制可以依赖于时间或者温度
全模分析与循环模温计算
应力和变形分析

应力和变形分析

Cast-DesignerCast-Designer 能够轻松胜任全场耦合模拟,包括热场,流场,应力场的三场耦合。应力模拟中支持热应力和机械应力的计算,准确预测铸件的残余应力分布和最终的应力变形。

应力分析结果应力分析结果

  • 变形与位移
  • 变形补偿
  • 应力矢量
  • 有效应力
  • 应变
  • 疲劳
  • 热裂 (…)

使用应力模块,用户还能实现如下目标:

  • 铸件和模具的应力应变分布结果
  • 铸件变形和翘曲
  • 铸件和模具在冷却过程中出现的间隙
  • 铸件的弹性变形(回弹)
  • 热裂风险区域
  • 模具寿命评估

Cast-DesignerCast-Designer 应力模块能够准确预测零件凝固冷却之后的尺寸变化,包括不均匀缩水,翘曲变形,提前预判产品尺寸超差程度与风险

  • 更好的铸件设计:更好的铸件设计: 帮助产品工程师设计更好的铸件产品
  • 更好的模具设计:更好的模具设计: 帮助模具设计师在模具上进行变形补偿修正,以缩小尺寸超差,减少废品比例
  • 提升铸件品质:提升铸件品质: 通过准确预测铸件的变形量和尺寸超差,从而提高铸件尺寸精度,提高成品率
  • 节约时间:节约时间: 节约模具开发和调试时间
  • 节约成本:节约成本: 提高试模成功率,从而大幅度节约因为模具调试而产生的费用成本
  • 提高效率:提高效率: 高品质的铸件,更低的成品,重新定义企业竞争力
  • 在 Cast-Designer 中, 变形补偿求解器 (DCS) 能够基于变形计算自动补偿模具造型。
  • 在 DCS 模块中, 支持用户选择一组传感器控制点用来探测和控制局部的变形量。
  • 采用自动循环迭代的计算方式,计算铸件的变形量,并输出用户指定区域的变形量。
  • 变形补偿的结果能输出并应用到其他CAD系统中进行后续的CAD工作,该功能在业界属于首创。

热裂风险

高压铸件变形

补偿造型和原始造型

实际产品

低压铸件变形量

模具截面应力分布

应力和变形分析

应力、变形与模具寿命分析实况

冲头运动与低速段模拟

冲头运动与低速段模拟

Cast-DesignerCast-Designer 支持模拟射料冲头的动作仿真,能够准确模拟在低速段的筒内金属液流动,避免紊流与空气包卷。

冲头运动与低速段模拟

最大空气压强

Cast-DesignerCast-Designer 支持计算最大空气压力位置,帮助用户确认溢流槽和排气系统的设计是否合理。

最大空气压强

微观分析

Cast-DesignerCast-Designer 中基于TTT和CCT的微观模块,能够准确的模拟冷却和热处理过程中的微观组织变化,并且通过微观组织分析计算铸件的机械强度,硬度,延伸率等结果。

微观分析

凝固过程中的浮力流动

大多数铸造模拟软件都不能分析凝固过程中的金属液流动,而事实上凝固过程中的流动是由浮力所驱动的,在这方面 Cast-DesignerCast-Designer 能够准确的考虑凝固过程中的浮力,从而计算出因为浮力流动造成的热节和缩孔风险,这种影响在大截面铸件中尤为明显。

凝固过程中的浮力流动

冷却系统设计

冷却系统设计是模具设计中的另一项重要任务。它直接影响铸件的凝固过程和结果,如铸件的缩孔、应力和变形。模具寿命和生产率与冷却系统直接相关。

冷却系统设计是一个CAD的基础模块,以帮助生成冷却水道。它提供了一种非常灵活的方式来生成任何复杂的冷却系统,如冷却水道和热流道。

不同于数值模拟,Cast-Designer引入了一种在线冷却系统分析方法,帮助设计者在早期检查冷却系统的设计,用户可以在3到5分钟内得到结果。

冷却系统设计
生产周期循环与自动热平衡

生产周期循环与自动热平衡

Cast-DesignerCast-Designer 可以精确地模拟压铸工艺条件,包括循环时间、模具冷却、模具预热等。

Cast-DesignerCast-Designer 还能够优化并自动调整模具开合时间,模具喷涂时间,冷却或加热通道和个别生产周期的时间,以合理的热平衡和优化的生产周期提高生产力。

生产周期定义

喷涂,冷却与预热

  • 支持冷却系统和模具加热系统
  • 每个冷却或加热通道均能独立控制
  • 支持不同的模具喷涂和涂层

生产周期优化

  • 铸造设计师优化自动调整冷却/加热管道和生产周期时间,以保持合理的模具温度,以避免过冷或模具过热。
  • 获得最佳的生产效率和成本率,提升产品质量。
  • 获得更好的模具寿命,降低模具维护成本。

生产成本预算

  • 成本计算模块可以快速计算生产成本。可用于报价、价格估算或生产阶段成本控制。

案例优化结果

  • 在铸件或模具上使用传感器来检查优化的条件。
  • 传感器可以定义到冷却管道或加热管道上进行优化。
  • 不同传感器可以自定义权重。
  • 在3次迭代后,生产循环时间从86秒优化到了到66秒。
生产周期循环与自动热平衡
铸造工艺

铸造工艺

CAST-Designer 帮助铸造工程师输入最少的条件信息,并以简单有效的方式分析结果,从而可以对以下工艺进行完全的模拟:

  • 高压铸造
  • 低压铸造
  • 半固态铸造
  • 重力砂型铸造
  • 重力金属型铸造
  • DISA铸造
  • 倾转铸造
  • 熔模铸造 / 壳型铸造
  • 连续铸造
  • 离心铸造
  • 珠宝铸造
  • 消失模铸造
  • 真空铸造
  • 液态模锻
  • 浇料操作
  • 射砂铸造
  • 砂芯冒气
  • 射蜡模拟
  • 铁、钢、铝和镁的微观组织分析
铸造工艺

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