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1、第一部分：铸造过程的数值模拟1.1概述铸造工艺历史悠久,但长期以来只是一种手工艺经验积累,近代逐渐成为一门工程技术,但仍缺乏完整的科学体系[1-3]。铸件凝固及其相应的铸型充填是铸造工艺的基本技术问题,大部分铸造缺陷产生于这一过程或与之密切相关,但由于该项研究问题复杂、难度较大,在实际生产中不得不更多地依赖于经验。液体金属进入型腔之后,流态和温度是如何变化的,凝固是如何进行的,缺陷是如何生成的,这些对铸造工作者来说还带有相当的盲目性。如何把它们计算和描绘出来,优化出最佳方案并形成工艺文件,尽可能以较少人力、物力生产出优质铸件,这就是铸件凝固数值模拟的主要任务[2]。
2、该学科是材料发展的前沿领域,是改造传统铸造产业的必由之路。经历了数十年的努力,铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段,铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸造充型凝固过程的数值模拟,可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,在浇注前采取对策以确保铸件的质量,缩短试制周期,降低生产成本。1962年丹麦的Forsund把有限差分法用于铸件凝固过程的传热计算，从此铸造工艺揭开了计算机优化的序幕。电子计算机在铸造生产中得以应用，目前主要在生产管理和数据处理、生产过程自动化控制以及铸造工艺辅助设计等领域，而
3、用计算机模拟仿真逐步代替传统的经验性研究方法，已成为21世纪铸件成形技术的发展趋势之一[3]。数值模拟技术经过数十年的发展，已经步入工程实用化阶段。1989年,世界上第一个铸造CAE商品化软件在德国第7届国际铸造博览会上展出,它以温度场分析为核心内容,在计算机工作站上运行,是由德国Aachen大学Sahm教授主持开发的,被称之为MAG2MA软件。同时展出的还有英国FOSECO公司开发的Solstar软件,它可在微机上运行,但对有限元分析作了极大的简化。90年代以来,铸造CAE商品化软件功能逐渐增加。其中德国的MAGMA,法国的Simulor及日本的Soldia等软件
4、都增加了三维流场分析功能,大大提高了模拟分析的精度,但主要都在工作站上运行。铸件三维应力场问题复杂,由于当时对铸件应力场本质问题认识不足,算法难度也大,故认为难以在微机上实现。1993年,日本丰田汽车公司在荷兰第60届世界铸造会议上发表了用大型计算机进行发动机缸体及轮毂三维残余应力分析的文章。目前,德国MAGMA软件等已具有三维应力场分析功能。原采用FDM/FEM结合的技术路线,其中FEM软件采用与国外商品化有限元软件集成的方法,现正改用全部FDM技术。国外铸造CAE商品化软件的功能一方面正向低压铸造、压力铸造及熔模铸造等特种铸造方面发展,另外一方面又正从宏观模拟向
5、微观模拟发展,其中美国的PROCAST及德国的MAGMA软件已增加球墨铸铁组织中石墨球数及珠光体含量的预测功能。在这方面国内虽起步较晚,但进展迅速,目前国内开发的商品化软件的部分功能已与国外软件相当,可以满足铸造工厂的一般需要。最近,第八届国际铸造、焊接及凝固过程模拟会议刚刚在美国圣地亚哥结束,会议内容十分丰富精彩,反映了当今世界各国在这一领域的研究成果及发展动向。由会议论文可以看出,铸造过程计算机模拟仿真的研究重点正在由宏观模拟走向微观模拟,微观模拟的尺度包括纳米级、微米级及毫米级,涉及结晶生核长大、树枝晶与等轴晶转变到金属基体控制等各方面；宏观模拟的研究集中在铸
6、件应力分析及流场模拟方面。1.2铸件凝固过程的数值模拟铸件凝固过程与大多数工业传热过程一样，热量是从一部分传播到另一部分。液态金属注入铸型以后，液态金属的温度不断下降，与此同时铸型受热温度不断上升。从浇注充填到凝固冷却，“铸件—中间层—铸型”的传热过程是通过高温金属的辐射传热，液体金属与铸型的对流换热(包括铸型表面与大气的对流换热)，金属向铸型导热等三种方式综合进行的。凝固过程温度场数值模拟铸件形成过程按工艺顺序，是先充填而后凝固，可是由于人们对问题认识的先后，也由于凝固对铸件质量的影响更加直接和明显，所以凝固过程温度场的数值模拟先于充填而发展起来。温度场数值模拟的
7、理论基础：(1)傅立叶定律：式中q—n方向上单位时间单位面积传导的热量；—物体的热导率；方向上的温度梯度。(2)牛顿定律：式中q—单位时间单位面积对流传热量；—对流换热系数;—固体表面温度;—流体表面温度。(3)斯蒂芬_玻尔兹曼定律：式中q—单位时间单位面积辐射传热量；F—辐射系数；—斯蒂芬—玻尔兹曼常数；—两物体的温度。为了使铸件、铸型中的场量能被唯一确定下来,必须把影响铸件凝固过程的一些复杂因素(初始条件、边界条件、结晶潜热及热物性参数)考虑到数值方程的求解条件中去。(1)初始条件：即t=0时刻所研究场量在铸件或铸型中的分布。(2)边界条件：铸件温度场模拟所
