摘 要 近几十年计算机的飞速发展为计算机仿真技术的发展提供了广阔的前景，许多人将这种计算机仿真技术应用到了材料科学领域，铸造数值仿真便是其中一种应用，并且已经大量的应用到了铸造生产的工艺设计分析及优化。计算机模拟仿真技术已成为铸造成形加工技术领域的重要发展方向之一。本文主要介绍计算机凝固模拟的基本概述。
关键词 铸造 凝固模拟
一 、凝固模拟的意义
金属的凝固与铸造过程是决定产品的质量的首要环节，一直受到金属材料与材料工程领域内广大科学研究与工程技术人员的密切关注和深入研究。但由于过程复杂，影响因素众多，迄今对其中许多现象及机理仍然众说纷纭，尚未对其客观规律取得广泛统一的认识。近年来迅速发展并日益得到广泛应用的计算机数值模拟技术已经在许多工程领域取得令人瞩目的技术经济效果。同样在金属凝固与铸造领域，它也日益显示出巨大的优越性，在揭示凝固过程规律、预测与防止多种缺陷、优化铸造工艺、提高产品质量、节约生产成本等方面具有其他研究试验方法难以匹敌的独特优点。
铸造工艺设计是铸造过程的重要环节，尤其是对于大型复杂铸件和大量生产的铸件，一旦工艺失误将造成重大经济损失.因此对重要铸件的工艺设计往往要求一次成功。而铸造生产中出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关。金属液充型和凝固过程的数值模拟可对铸件进行虚拟铸造，在计算机上仿真显示整个铸造过程，使工艺设计人员了解充型过程不同时刻的金属液流动形态、速度场和温度场，凝固过程不同时刻的铸件温度场、凝固顺序、枝晶骨架前沿的热应力及凝固后铸件的晶粒尺寸和形貌，预测铸件中可能存在的缩孔、缩松、气孔、冷隔、偏析等铸造缺陷并提出相应的工艺改进措施，使铸造工艺由过去单纯凭经验的定性设计转变为科学化、定量化设计，这在优化工艺的同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争力。利用计算机凝固模拟可以提高材料的利用率20%，使生产成本降低30%，试制周期缩短40%，经济效益十分可观。
二、凝固模拟的主要研究方向
自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用。凝固模拟的的研究方向主要有温度场、流场、应力场及组织的数值模拟。通过这些单一或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。
三、国内外凝固模拟的研究现状与发展
四十年代，美国哥伦比亚大学的Paschkis教授在美国铸造学会的资助下，利用大型模拟计算机进行了包括凝固模拟、浇注系统设计、浇包中热损失、铸型中热流流动等方面的研究。
六十年代丹麦学者ForsUnd把有限差分第一次用于铸件凝固过程的传热计算，为凝固模拟开辟了新的途径，同时拉开了铸件凝固过程数值模拟的序幕。美国通用汽车公司的Henzel和Keverian应用瞬态传热通用程序对汽轮机缸体铸件进行了与实验结果相当接近的计算温度场。这些最初的尝试性研究表明：运用计算机模拟技术研究铸件凝固过程具有广阔的前景。此后，世界上许多的工业发达的国家相继开展了这方面的工作，并且试图将数值模拟向着工程实用化方向努力。这期间，以美国 Michigan 大学的 R.D.Pehlke 等人都相继开始了凝固过程数值模拟的基础性研究，并取得了显著的进步。他们深入研究了一般铸件凝固过程温度场数值模拟中的计算方法、潜热的处理、对流换热、边界条件、界面换热系数和补缩距离等问题。这些问题的相继解决，对温度场的数值模拟实用化，以及下一阶段的研究开发起到了巨大的推动作用。
八十年代中期以来，各国都对铸件凝固模拟开展了研究。随着计算机硬件和技术的发展，凝固模拟软件取得了很大进展，世界上出现数十家以凝固模拟软件为其主要产品的软件公司。有许多铸造企业安装和使用了凝固模拟软件，提高了铸件质量，降低了成本。安装和使用凝固模拟软件的铸造厂的数量在逐步增加。
国内在这方面起步较晚，但发展十分迅速。首先是众多的大专院校和专业研究所进行了广泛的铸件凝固数值模拟基础性的研究。这方面具有代表性的有大连理工大学、沈阳铸造研究所、西北工业大学等。中科院沈阳铸造研究所的王君卿在丹麦大学读博士期间，分别用了MAC、SMAC、SOLAVOF法进行了铸造成型过程流场数值模拟。到了90年代，我国各科研所也纷纷开展了这方面的研究工作。2004年在台湾高雄召开的第六届环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际会议上，中国台湾文瑞哲等介绍了开发的离心铸造充型过程计算机模拟系统。
四、总结
为了满足铸造生产的实际需要，凝固模拟需要进一步研究和发展，铸件缺陷的预测及显示，铸造工艺的优化等还需进一步改进。凝固模拟计算结果只给出是与非的结果，即得到完好的铸件或有缺陷的铸件。而实际生产中铸件的品质绝对不是是与非这么简单，即使较差的工艺设计也不会全是废品，而是有一定百分比的废品率。因此，铸件的生产不仅要减少废品，而且要求铸件生产方法和工艺设计有一定的余量，即使生产条件在一定范围变化，仍可以消除大多数缺陷，是废品率降到最小。而这个工作模拟软件尚无法胜任，目前只能由有经验的铸造技术人员来完成。
参考文献：
[1]荆涛.凝固过程数值模拟[M].电子工业出版社，2002.
[2]柳百成，荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].机械工业出版社，2001.
（作者单位：中国重汽济南铸锻中心）
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