第3章　金屬鑄造成形中的數(shù)值模擬

3.1　概述

金屬材料鑄造成形歷史悠久，鑄造行業(yè)一直是材料加工領(lǐng)域重要的支柱之一。然而，鑄造生產(chǎn)常常伴隨較大廢品率，究其原因，主要是傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計和鑄型設(shè)計多依賴于經(jīng)驗積累，缺乏在動態(tài)、定量數(shù)據(jù)支持下的結(jié)果預(yù)測方法與設(shè)計優(yōu)化手段，進而很難把握鑄造產(chǎn)品的最終質(zhì)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(jié)及其變化規(guī)律、科學(xué)預(yù)測鑄件成形質(zhì)量、有針對性地優(yōu)化工藝方案與鑄型設(shè)計、大力提高鑄造產(chǎn)品的合格率等迫切需求促進了數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造行業(yè)的推廣應(yīng)用。

目前，數(shù)值模擬技術(shù)在金屬鑄造成形中的應(yīng)用主要包括以下幾個方面。

①流動場模擬　利用流體力學(xué)原理，分析并仿真鑄液在澆冒口系統(tǒng)和鑄型型腔中的流動狀態(tài)及其吸氣過程，通過優(yōu)化澆注條件和澆冒系統(tǒng)設(shè)計，減輕或消除流股分離、卷氣和夾渣現(xiàn)象，降低鑄液對鑄型的沖蝕。

②溫度場模擬　利用傳熱學(xué)原理，分析鑄造成形的傳熱過程及其對應(yīng)的溫度場變化，在此基礎(chǔ)上仿真鑄件的冷卻凝固細節(jié)，檢驗工藝條件，預(yù)測凝固缺陷，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計。

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

④應(yīng)力場模擬　利用力學(xué)原理和溫度場模擬數(shù)據(jù)，分析鑄件的應(yīng)力分布，仿真鑄件內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分布及其變化，預(yù)測和控制熱裂、冷裂、變形等鑄造缺陷的產(chǎn)生。

⑤鑄件組織模擬　利用金屬學(xué)原理和溫度場模擬數(shù)據(jù)，分析并仿真鑄液在凝固過程中的晶粒形成和溶質(zhì)擴散等物理現(xiàn)象，并以此為基礎(chǔ)，預(yù)測、控制和優(yōu)化鑄件的宏/微觀組織結(jié)構(gòu)及其分布，預(yù)測、控制和優(yōu)化同鑄件宏/微觀組織相適應(yīng)的機械性能。