铸造模拟软件MagmaSoft与Novacast的精度对比

当今世界，铸造模拟仿真软件是任何一个兴盛的铸造厂的必备技术工具。在全球市场上有很多铸造工艺模拟软件，主要功能是模拟金属液流动、凝固过程，以及在凝固冷却过程中铸件的机械性能和应力，提前预测铸造工艺缺陷。目前全球最好的三个铸造模拟软件分别是MagmaSoft、Novacast和Procast。在铸造产品试生产阶段，使用这些铸造模拟软件能够节省大量时间和成本，并可以使技术人员更深入的了解金属液在模具型腔中流动和凝固情况。

本文主要工作集中在MagmaSoft与Novacast这两款软件的模拟结果精度对比上。主要目的是使用相同的铸件，从结果的准确性方面比较两个模拟软件在金属液流动、凝固以及预测缺陷等仿真结果。仿真结果对比表明，金属液在模具型腔中流动、凝固过程、铸造缺陷的发生和机械性能等方面，Novacast软件模拟结果精确可靠。下一个目标是比较技术人员使用两个模拟软件的时间消耗，这也是准备模拟、模拟计算和评估所获得结果的必要条件。

1、 引言

对于今天的铸造厂来说，模拟软件的应用变得越来越重要。使用铸造模拟软件，我们能够容易地、更加快速地确定铸件最合适的形状、冒口、冒口与铸件的连接、最佳的浇铸时间、凝固和冷却时间，最佳的浇铸温度，铸件凝固后缩孔的产生、铸件结构、最终机械性能以及残余应力。

所有这些都有助于快速解决生产前阶段的技术问题，包括铸件设计、浇注系统的设计、系统的消除技术错误，缩短生产前阶段的时间，技术人员的教育，并极大地降低生产成本。

本文的目的是比较MAGMAsoft和Novacast这两款模拟软件。在执行模拟的过程中，将对所取得的结果的准确性、模拟程序的运行时间进行检验。对比的结果包括了熔融金属的流动和模具型腔的填充，凝固过程中的液相分布，凝固后的缩孔和布氏硬度预测。

2、 实验部分

用于模拟的铸件如图1所示，它是用于采矿用水泵的组成部分。铸件的重量是0.8千克。一个铸件模型上有12个铸件。在整个模拟过程中，通过改变Connor内浇口尺寸和形状，生产出致密的铸件。铸件的材料为灰口铸铁，牌号EN-GJL-15。初始浇铸温度设置为1350℃，充填时间9秒。沙型材料为湿砂，初始温度20℃。边界条件保持默认正常状态，环境温度设置为20℃，计算过程考虑热辐射。浇注类型选择底漏包浇铸，金属液的流入量为1,5 kg/s。在缩孔计算模型中，考虑重力的影响。



图1 铸件（EN GJL 15，直径88毫米，高度43毫米，重0.8千克）

使用这两个模拟软件在第一组浇口尺寸参数计算完成后，将得到的结果放在一起比较。图2为凝固过程中的液相分布对比



图2 液相分布对比（A为MagmaSoft软件计算，B为Novacast，凝固时间320秒）
图中从左向右液相体积分数分别为70%、50%、30%、20%、10%、0/5%

从图中可以看出，两个软件的凝固过程得到的结果几乎相同。液相体积分数为20%和10%时存在一些细微差别，这可能是因为两个模拟软件中使用了不同的网格划分方式和网格类型造成的。MagmaSoft软件的最后一张图片，型腔中的液相体积分数为0%，而Novacast软件在同一时刻可以看到液相体积分数为5%，并且液相位于铸件中。结果表明了当前这组工艺设计是不合理的，因为铸件上会有潜在的缩孔缩松风险。

图3上显示了在铸件和Connor内浇口中的缩孔现象。两个仿真软件计算结果相同。



图3 （A） Magma软件中的缩孔分布



图3 （B）Novacast软件中的缩孔分布

由于铸件上存在缩孔，改变Connor内浇口的形状和尺寸的重新进行模拟，从图4中显示了包含浇注系统的的铸件网格。



图4 （A）MagmaSoft网格划分



图4 （B ）Novacast网格划分

这两款软件在网格划分方面有很大的不同。MagmaSoft采用有限差分法进行网格划分和模拟计算，但在模型的外侧可以看到很多小立方体。而另一方面，Novacast采用控制体积法，使铸件表面更加光滑，更适合于高精度仿真。



图5（A ） MagmaSoft中充填至9秒的模拟显示



图5（B） Novacast中充填至9秒的模拟显示
（填充体积率间隔10%）

从图5可以看到金属液填充整个型腔的过程。两个模拟软件都表明了在填充过程金属液流动时没有任何飞溅，都顺利完成。



图6（A）MagmaSoft得到的缩孔位置分布



图6（B） Novacast得到的缩孔位置分布

模拟得到的另一个结果是缩孔的分布。从图6中清楚的看出，不同于第一组模拟参数得到的结果，两个软件得到的缩孔位置都在Connor浇口内，而不是在铸件中。虽然两个软件的结果在缩孔的位置上有些小区别，但最重要的都是在铸件上都没有凝固缺陷。



图7（A）MagmaSoft软件得到的硬度分布



图7（B） Novacast得到的硬度分布

在图7上显示了预期的布氏硬度分布。两个模拟软件显示的硬度分布大致相同，都在210HB~230HB之间

3、 结论

这两个仿真软件都属于全球市场上顶级的仿真软件，流动和凝固过程模拟都非常准确。两个软件的充填模拟过程结果显示是完全相同的，凝固过程模拟结果几乎相同，缩孔率的预测结果相同，缩孔位置的稍有差异（几毫米）。由于两个软件采用的方法不同（MagmaSoft——有限差分法，Novacast——控制体积法），模拟过程中使用的网格也有区别。

两个软件模拟的最大的差异在于计算时间上。MagmaSoft完整计算一次该模拟需要约14个小时，而Novacast软件只需要花费5个小时，这主要是因为两个软件采用了上述不同的算法所致。