铸造过程的数值模拟分析
王家昆
（云南省机械研究设计院 云南省机电一体化应用技术重点实验室
云南 昆明 650031 ）
摘 要：介绍了铸造过程的数值模拟分析的发展，应用现状，通过泵体铸造过程的数值
模拟分析，表明铸造模拟能够预测铸件在充型凝固过程中可能产生的缺陷，从
而辅助工艺人员进行工艺优化，指导实际铸件生产；采用的模拟方法和步骤对
其它铸造工艺的确定有借鉴作用。
关键词：铸造过程；铸造缺陷；数值模拟
引 言
传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修
改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺
是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不
是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造 CAE 模拟技术是利用计算机
技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。
一、铸造过程的数值模拟分析的现状
数值模拟的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的
影响，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充型、凝固过程的
计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于 20 世纪 60 年代，现已经进入了工程实用化阶段。目
前 CAE 商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型过程的数值理
论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预
报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。
目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4 个方面。
（一）充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值
法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。
（二）缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用G／L ，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成
的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与
缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。
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（三）凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数
值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固
共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程
模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己
的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如 ANSYS、MARC、ADINA 等进行二次开发，也建
立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。
对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，
但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。近几十年发展起来的流变学为固液两
相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和
塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随
时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。
另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计
算应力。
（四）凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充型过程模拟具有更
大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之一。这些方法虽
能在一定程度上比较准确地模拟合金的凝固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作
了很多假设，因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、
随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。场相法是研究直接微观模拟的热点，主要的模拟模
型有三种：Monte Cado(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型。现有研究领域中球铁的微观组织模
拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时
