模拟仿真技术在铸件在充型过程中的流场模拟、凝固过程中的温度场模拟和热应力模拟，以及在铸造过程中缩松、缩孔等缺陷的预测方面具有指导意义。与传统的试错法相比，模拟仿真技术在铸造工艺与优化方面有着巨大的优势，越来越多的企业和科研工作者用模拟仿真技术来对工艺和试验进行分析和优化。ProCAST模拟软件能够获取良好的铸件模型，缩短产品研发周期，降低生产成本，提高生产效率。
昆明理工大学蒋业华教授团队在2023年第43卷第1期《特种铸造及有色合金》期刊上发表了“ProCAST 的ZTAp/高铬铸铁基复合材料应力场模拟”一文。文章运用ProCAST仿真软件对ZTAp/高铬铸铁基复合材料在浇注温度为1350、1450、1550、1650℃，浇注速度为3.0、3.5、4.0kg/s下进行应力场模拟，并通过试验对模拟结果进行验证。结果表明，在砂型重力铸造下，不同的浇注速度和浇注温度的蜂窝预制体所受到的应力的分布是不一样的，在浇注速度3.5kg/s、浇注温度1550℃时的预制体的受力较为均匀，在复合材料复合效果较好，并且能够保证预制体在复合过程中有良好的结构完整度。
【资料图】
【引用格式】
张嘉毅,隋育栋,蒋业华,等.基于ProCAST 的ZTAp/高铬铸铁基复合材料应力场模拟[J].特种铸造及有色合金,2023,43(1):43-47.
ZHANG J Y,SUI Y D,JIANG Y H,et al.Simulation and analysis of stress field in ZTA preinforced HCCI matrix composites based on the ProCAST software[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(1):43-47.
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【数值建模】
采用Solidworks三维建模软件对预制体与浇注系统进行1：1的三维实体建模，将模型转为iges格式后导入ProCAST模拟软件中，见图1。然后用自带的几何绘制功能绘制出方型虚拟模具来作为砂箱（尺寸为300mm×300mm×450mm）。由于预制体是由陶瓷颗粒制备，若在模拟过程中将预制体设为多个与颗粒相近的单体，则会使网格在计算过程中体量较大，并且在计算过程中无法收敛，故将预制体设为实体。
图1砂型重力铸造浇注系统示意图
在Mesh模块中，对建立好的三维模型进行网格划分。为了降低计算量并且保证计算的准确性，提高计算效率，对不同的砂型、铸型、浇道、冒口、预制体采用不同尺寸的网格进行划分。将砂型的网格尺寸设为10，铸型、浇道以及冒口的网格尺寸设为5，预制体的网格尺寸设为1。最终使用面网格工具建立的面网格（三角形网格）数为24958，使用体网格工具建立的体网格（四面体网格）数为333465，见图2。
（a）面网格 （b）体网格
图2 模型网格划分
采用CAST模块对砂型重力铸造进行模拟时，需进行前处理及界面参数的设定。将Y轴负方向设为重力方向。在ProCAST软件中，输入高铬铸铁（Cr26）和ZTA陶瓷颗粒的相关元素成分，分别见表1和表2。将砂型设置为Silica sand，所以将其选用为Rigid模型，初始温度为室温（25℃）。为了观察预制体在金属液中最终的受力情况，将高铬铸铁液和ZTA预制体设为Linear-Elastic模型。
对于界面参数的设置，需要考虑不同材料之间的传热系数。金属液与砂型之间的传热系数设置为2000W/（m2·K），金属液与预制体之间的传热系数为500W/（m2·K），砂型与空气之间的传热系数为10W/（m2·K），为了将模拟过程与实际浇注过程相符合，砂型、浇道与冒口顶部与空气接触，将外表面冷却方式设为空冷。
最终定义运行参数，在simulation parameter中设置铸造模拟方式为Gravity Filling（重力铸造），模块的终止温度设置为50℃。
【模拟结果】
ZTA25/高铬铸铁基复合材料制备过程中，当浇注温度为1550℃，浇注速度为3.5kg/s时，金属液对预制体能产生很好的复合效果。浇注速度和浇注温度均对复合材料预制体有效应力产生影响，适当的浇注速度和浇注温度能够使得预制体在金属液中产生好的复合效果。
图3ZTA25/高铬铸铁基复合材料充型过程流场和温度场模拟结果
图4ZTA25/高铬铸铁基复合材料充型过程凝固场模拟结果
金属液的凝固过程经过了液态、固-液共存和固态3个阶段。金属液在相变的过程中，若预制体所能承受的有效应力过低，则会产生预制体浸渗不完全；而当预制体所承受的有效应力过大时，则预制体在熔融金属液中会被冲散，复合材料无法保持结构完整度。因此合理的浇注工艺具有重要的作用。
可知随着浇注速度增加，预制体所受到的有效应力增加。当浇注速度为3.5 kg/s时，预制体所受到的有效应力较为均匀。
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（a）3.0kg/s（b）3.5kg/s（c）4.0kg/s
图5预制体在不同浇注速度下的有效应力分布
由于在冷却过程中，各部分的冷却速度不同，导致各个区域的收缩量不同，并且浇注温度的不同使得预制体周围金属液到达固相线以下的时间也有差别，进而使得预制体所受到的有效应力也有所差别。
（a）1350 ℃；（b）1450 ℃；（c）1550 ℃；（d）1650 ℃
图6预制体在不同浇注温度下有效应力分布
为了验证模拟结果的准确性，对参数进行了多次试验，结果见图7。可以看出，在浇注速度为3.0kg/s时，复合材料出现了未充满以及复合不完全的现象。在浇注速度为4.0 kg/s时，复合材料出现了被冲散的现象。在浇注速度为3.5 kg/s,浇注温度为1550 ℃时，能产生很好的铸渗，陶瓷颗粒较均匀的分布在高铬铸铁基体上。
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（a）3.0 kg/s（b）3.5 kg/s（c）4.0 kg/s
图7不同浇注温度和浇注速度下的预制体结构完整度
结合模拟结果，当浇注速度过快、温度过高时，会导致预制体受到的应力过大，使得预制体难以保证其结构完整度；而当浇注速度过低，浇注温度较低的情况下，金属液很难完全渗入预制体，使得复合材料造成缺陷。而当浇注速度为3.5kg/s，浇注温度为1550 ℃时，蜂窝预制体在金属液中达到很好的复合效果。然后由Matlab软件，得到经验公式：，式中：为预制体的结构完整度；为浇注温度。
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