摘 要 近幾十年計算機(jī)的飛速發(fā)展為計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景，許多人將這種計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到了材料科學(xué)領(lǐng)域，鑄造數(shù)值仿真便是其中一種應(yīng)用，并且已經(jīng)大量的應(yīng)用到了鑄造生產(chǎn)的工藝設(shè)計分析及優(yōu)化。計算機(jī)模擬仿真技術(shù)已成為鑄造成形加工技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。本文主要介紹計算機(jī)凝固模擬的基本概述。

關(guān)鍵詞 鑄造 凝固模擬

一 、凝固模擬的意義

金屬的凝固與鑄造過程是決定產(chǎn)品的質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)，一直受到金屬材料與材料工程領(lǐng)域內(nèi)廣大科學(xué)研究與工程技術(shù)人員的密切關(guān)注和深入研究。但由于過程復(fù)雜，影響因素眾多，迄今對其中許多現(xiàn)象及機(jī)理仍然眾說紛紜，尚未對其客觀規(guī)律取得廣泛統(tǒng)一的認(rèn)識。近年來迅速發(fā)展并日益得到廣泛應(yīng)用的計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)在許多工程領(lǐng)域取得令人矚目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。同樣在金屬凝固與鑄造領(lǐng)域，它也日益顯示出巨大的優(yōu)越性，在揭示凝固過程規(guī)律、預(yù)測與防止多種缺陷、優(yōu)化鑄造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約生產(chǎn)成本等方面具有其他研究試驗方法難以匹敵的獨特優(yōu)點。

鑄造工藝設(shè)計是鑄造過程的重要環(huán)節(jié)，尤其是對于大型復(fù)雜鑄件和大量生產(chǎn)的鑄件，一旦工藝失誤將造成重大經(jīng)濟(jì)損失.因此對重要鑄件的工藝設(shè)計往往要求一次成功。而鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多缺陷都與金屬凝固過程密切相關(guān)。金屬液充型和凝固過程的數(shù)值模擬可對鑄件進(jìn)行虛擬鑄造，在計算機(jī)上仿真顯示整個鑄造過程，使工藝設(shè)計人員了解充型過程不同時刻的金屬液流動形態(tài)、速度場和溫度場，凝固過程不同時刻的鑄件溫度場、凝固順序、枝晶骨架前沿的熱應(yīng)力及凝固后鑄件的晶粒尺寸和形貌，預(yù)測鑄件中可能存在的縮孔、縮松、氣孔、冷隔、偏析等鑄造缺陷并提出相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，使鑄造工藝由過去單純憑經(jīng)驗的定性設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)化、定量化設(shè)計，這在優(yōu)化工藝的同時可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，縮短產(chǎn)品從設(shè)計到應(yīng)用的周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。利用計算機(jī)凝固模擬可以提高材料的利用率20%，使生產(chǎn)成本降低30%，試制周期縮短40%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

二、凝固模擬的主要研究方向

自1962年丹麥Fround第1個采用電子計算機(jī)模擬鑄件凝固過程以來，計算機(jī)在鑄造工藝研究中得到了廣泛的應(yīng)用。凝固模擬的的研究方向主要有溫度場、流場、應(yīng)力場及組織的數(shù)值模擬。通過這些單一或復(fù)合過程的數(shù)值模擬，可以分析鑄件中存在的各種缺陷的產(chǎn)生原因，進(jìn)而采取相應(yīng)工藝措施來消除缺陷，實現(xiàn)工藝優(yōu)化，同時可以節(jié)省大量的人力、物力和財力，縮短產(chǎn)品從設(shè)計到應(yīng)用的周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭能力。

三、國內(nèi)外凝固模擬的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

四十年代，美國哥倫比亞大學(xué)的Paschkis教授在美國鑄造學(xué)會的資助下，利用大型模擬計算機(jī)進(jìn)行了包括凝固模擬、澆注系統(tǒng)設(shè)計、澆包中熱損失、鑄型中熱流流動等方面的研究。

六十年代丹麥學(xué)者ForsUnd把有限差分第一次用于鑄件凝固過程的傳熱計算，為凝固模擬開辟了新的途徑，同時拉開了鑄件凝固過程數(shù)值模擬的序幕。美國通用汽車公司的Henzel和Keverian應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C(jī)缸體鑄件進(jìn)行了與實驗結(jié)果相當(dāng)接近的計算溫度場。這些最初的嘗試性研究表明：運用計算機(jī)模擬技術(shù)研究鑄件凝固過程具有廣闊的前景。此后，世界上許多的工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相繼開展了這方面的工作，并且試圖將數(shù)值模擬向著工程實用化方向努力。這期間，以美國 Michigan 大學(xué)的 R.D.Pehlke 等人都相繼開始了凝固過程數(shù)值模擬的基礎(chǔ)性研究，并取得了顯著的進(jìn)步。他們深入研究了一般鑄件凝固過程溫度場數(shù)值模擬中的計算方法、潛熱的處理、對流換熱、邊界條件、界面換熱系數(shù)和補縮距離等問題。這些問題的相繼解決，對溫度場的數(shù)值模擬實用化，以及下一階段的研究開發(fā)起到了巨大的推動作用。

八十年代中期以來，各國都對鑄件凝固模擬開展了研究。隨著計算機(jī)硬件和技術(shù)的發(fā)展，凝固模擬軟件取得了很大進(jìn)展，世界上出現(xiàn)數(shù)十家以凝固模擬軟件為其主要產(chǎn)品的軟件公司。有許多鑄造企業(yè)安裝和使用了凝固模擬軟件，提高了鑄件質(zhì)量，降低了成本。安裝和使用凝固模擬軟件的鑄造廠的數(shù)量在逐步增加。

國內(nèi)在這方面起步較晚，但發(fā)展十分迅速。首先是眾多的大專院校和專業(yè)研究所進(jìn)行了廣泛的鑄件凝固數(shù)值模擬基礎(chǔ)性的研究。這方面具有代表性的有大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所、西北工業(yè)大學(xué)等。中科院沈陽鑄造研究所的王君卿在丹麥大學(xué)讀博士期間，分別用了MAC、SMAC、SOLAVOF法進(jìn)行了鑄造成型過程流場數(shù)值模擬。到了90年代，我國各科研所也紛紛開展了這方面的研究工作。2004年在臺灣高雄召開的第六屆環(huán)太平洋國家鑄造和凝固過程模擬國際會議上，中國臺灣文瑞哲等介紹了開發(fā)的離心鑄造充型過程計算機(jī)模擬系統(tǒng)。

四、總結(jié)

為了滿足鑄造生產(chǎn)的實際需要，凝固模擬需要進(jìn)一步研究和發(fā)展，鑄件缺陷的預(yù)測及顯示，鑄造工藝的優(yōu)化等還需進(jìn)一步改進(jìn)。凝固模擬計算結(jié)果只給出是與非的結(jié)果，即得到完好的鑄件或有缺陷的鑄件。而實際生產(chǎn)中鑄件的品質(zhì)絕對不是是與非這么簡單，即使較差的工藝設(shè)計也不會全是廢品，而是有一定百分比的廢品率。因此，鑄件的生產(chǎn)不僅要減少廢品，而且要求鑄件生產(chǎn)方法和工藝設(shè)計有一定的余量，即使生產(chǎn)條件在一定范圍變化，仍可以消除大多數(shù)缺陷，是廢品率降到最小。而這個工作模擬軟件尚無法勝任，目前只能由有經(jīng)驗的鑄造技術(shù)人員來完成。

參考文獻(xiàn)：

[1]荊濤.凝固過程數(shù)值模擬[M].電子工業(yè)出版社，2002.

[2]柳百成，荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

（作者單位：中國重汽濟(jì)南鑄鍛中心）