第3章　金屬鑄造成形中的數值模擬

3.1　概述

金屬材料鑄造成形歷史悠久，鑄造行業一直是材料加工領域重要的支柱之一。然而，鑄造生產常常伴隨較大廢品率，究其原因，主要是傳統的鑄造工藝設計和鑄型設計多依賴于經驗積累，缺乏在動態、定量數據支持下的結果預測方法與設計優化手段，進而很難把握鑄造產品的最終質量。事實上，造成廢品率過高的鑄造缺陷（例如縮孔、縮松、裂紋、變形等）絕大部分形成于鑄液充型與凝固過程。正是由于對準確揭示鑄液充型與凝固過程的物理細節及其變化規律、科學預測鑄件成形質量、有針對性地優化工藝方案與鑄型設計、大力提高鑄造產品的合格率等迫切需求促進了數值模擬技術在鑄造行業的推廣應用。

目前，數值模擬技術在金屬鑄造成形中的應用主要包括以下幾個方面。

①流動場模擬　利用流體力學原理，分析并仿真鑄液在澆冒口系統和鑄型型腔中的流動狀態及其吸氣過程，通過優化澆注條件和澆冒系統設計，減輕或消除流股分離、卷氣和夾渣現象，降低鑄液對鑄型的沖蝕。

②溫度場模擬　利用傳熱學原理，分析鑄造成形的傳熱過程及其對應的溫度場變化，在此基礎上仿真鑄件的冷卻凝固細節，檢驗工藝條件，預測凝固缺陷，優化冷卻系統設計。

③熱-流耦合模擬　利用流體力學和傳熱學原理，在仿真鑄液充型流動的同時計算其傳熱過程，以預測和控制氧化、冷隔、澆不足等鑄造缺陷的產生，同時為鑄件后續的凝固過程模擬計算提供初始溫度條件。

④應力場模擬　利用力學原理和溫度場模擬數據，分析鑄件的應力分布，仿真鑄件內的應力應變分布及其變化，預測和控制熱裂、冷裂、變形等鑄造缺陷的產生。

⑤鑄件組織模擬　利用金屬學原理和溫度場模擬數據，分析并仿真鑄液在凝固過程中的晶粒形成和溶質擴散等物理現象，并以此為基礎，預測、控制和優化鑄件的宏/微觀組織結構及其分布，預測、控制和優化同鑄件宏/微觀組織相適應的機械性能。