第3章　金属铸造成形中的数值模拟

3.1　概述

金属材料铸造成形历史悠久，铸造行业一直是材料加工领域重要的支柱之一。然而，铸造生产常常伴随较大废品率，究其原因，主要是传统的铸造工艺设计和铸型设计多依赖于经验积累，缺乏在动态、定量数据支持下的结果预测方法与设计优化手段，进而很难把握铸造产品的最终质量。事实上，造成废品率过高的铸造缺陷（例如缩孔、缩松、裂纹、变形等）绝大部分形成于铸液充型与凝固过程。正是由于对准确揭示铸液充型与凝固过程的物理细节及其变化规律、科学预测铸件成形质量、有针对性地优化工艺方案与铸型设计、大力提高铸造产品的合格率等迫切需求促进了数值模拟技术在铸造行业的推广应用。

目前，数值模拟技术在金属铸造成形中的应用主要包括以下几个方面。

①流动场模拟　利用流体力学原理，分析并仿真铸液在浇冒口系统和铸型型腔中的流动状态及其吸气过程，通过优化浇注条件和浇冒系统设计，减轻或消除流股分离、卷气和夹渣现象，降低铸液对铸型的冲蚀。

②温度场模拟　利用传热学原理，分析铸造成形的传热过程及其对应的温度场变化，在此基础上仿真铸件的冷却凝固细节，检验工艺条件，预测凝固缺陷，优化冷却系统设计。

③热-流耦合模拟　利用流体力学和传热学原理，在仿真铸液充型流动的同时计算其传热过程，以预测和控制氧化、冷隔、浇不足等铸造缺陷的产生，同时为铸件后续的凝固过程模拟计算提供初始温度条件。

④应力场模拟　利用力学原理和温度场模拟数据，分析铸件的应力分布，仿真铸件内的应力应变分布及其变化，预测和控制热裂、冷裂、变形等铸造缺陷的产生。

⑤铸件组织模拟　利用金属学原理和温度场模拟数据，分析并仿真铸液在凝固过程中的晶粒形成和溶质扩散等物理现象，并以此为基础，预测、控制和优化铸件的宏/微观组织结构及其分布，预测、控制和优化同铸件宏/微观组织相适应的机械性能。