計算機凝固模擬基本概述

摘 要 近幾十年計算機的飛速發展為計算機仿真技術的發展提供了廣闊的前景，許多人將這種計算機仿真技術應用到了材料科學領域，鑄造數值仿真便是其中一種應用，并且已經大量的應用到了鑄造生產的工藝設計分析及優化。計算機模擬仿真技術已成為鑄造成形加工技術領域的重要發展方向之一。本文主要介紹計算機凝固模擬的基本概述。

關鍵詞 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品的質量的首要環節，一直受到金屬材料與材料工程領域內廣大科學研究與工程技術人員的密切關注和深入研究。但由于過程復雜，影響因素眾多，迄今對其中許多現象及機理仍然眾說紛紜，尚未對其客觀規律取得廣泛統一的認識。近年來迅速發展并日益得到廣泛應用的計算機數值模擬技術已經在許多工程領域取得令人矚目的技術經濟效果。同樣在金屬凝固與鑄造領域，它也日益顯示出巨大的優越性，在揭示凝固過程規律、預測與防止多種缺陷、優化鑄造工藝、提高產品質量、節約生產成本等方面具有其他研究試驗方法難以匹敵的獨特優點。

鑄造工藝設計是鑄造過程的重要環節，尤其是對于大型復雜鑄件和大量生產的鑄件，一旦工藝失誤將造成重大經濟損失.因此對重要鑄件的工藝設計往往要求一次成功。而鑄造生產中出現的許多缺陷都與金屬凝固過程密切相關。金屬液充型和凝固過程的數值模擬可對鑄件進行虛擬鑄造，在計算機上仿真顯示整個鑄造過程，使工藝設計人員了解充型過程不同時刻的金屬液流動形態、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力及凝固后鑄件的晶粒尺寸和形貌，預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的工藝改進措施，使鑄造工藝由過去單純憑經驗的定性設計轉變為科學化、定量化設計，這在優化工藝的同時可以節省大量的人力、物力和財力，縮短產品從設計到應用的周期，增強產品的市場競爭力。利用計算機凝固模擬可以提高材料的利用率20%，使生產成本降低30%，試制周期縮短40%，經濟效益十分可觀。

二、凝固模擬的主要研究方向

自1962年丹麥Fround第1個采用電子計算機模擬鑄件凝固過程以來，計算機在鑄造工藝研究中得到了廣泛的應用。凝固模擬的的研究方向主要有溫度場、流場、應力場及組織的數值模擬。通過這些單一或復合過程的數值模擬，可以分析鑄件中存在的各種缺陷的產生原因，進而采取相應工藝措施來消除缺陷，實現工藝優化，同時可以節省大量的人力、物力和財力，縮短產品從設計到應用的周期，增強產品的市場競爭能力。

三、國內外凝固模擬的研究現狀與發展

四十年代，美國哥倫比亞大學的Paschkis教授在美國鑄造學會的資助下，利用大型模擬計算機進行了包括凝固模擬、澆注系統設計、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值模擬的序幕。美國通用汽車公司的Henzel和Keverian應用瞬態傳熱通用程序對汽輪機缸體鑄件進行了與實驗結果相當接近的計算溫度場。這些最初的嘗試性研究表明：運用計算機模擬技術研究鑄件凝固過程具有廣闊的前景。此后，世界上許多的工業發達的國家相繼開展了這方面的工作，并且試圖將數值模擬向著工程實用化方向努力。這期間，以美國 Michigan 大學的 R.D.Pehlke 等人都相繼開始了凝固過程數值模擬的基礎性研究，并取得了顯著的進步。他們深入研究了一般鑄件凝固過程溫度場數值模擬中的計算方法、潛熱的處理、對流換熱、邊界條件、界面換熱系數和補縮距離等問題。這些問題的相繼解決，對溫度場的數值模擬實用化，以及下一階段的研究開發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。隨著計算機硬件和技術的發展，凝固模擬軟件取得了很大進展，世界上出現數十家以凝固模擬軟件為其主要產品的軟件公司。有許多鑄造企業安裝和使用了凝固模擬軟件，提高了鑄件質量，降低了成本。安裝和使用凝固模擬軟件的鑄造廠的數量在逐步增加。

國內在這方面起步較晚，但發展十分迅速。首先是眾多的大專院校和專業研究所進行了廣泛的鑄件凝固數值模擬基礎性的研究。這方面具有代表性的有大連理工大學、沈陽鑄造研究所、西北工業大學等。中科院沈陽鑄造研究所的王君卿在丹麥大學讀博士期間，分別用了MAC、SMAC、SOLAVOF法進行了鑄造成型過程流場數值模擬。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的離心鑄造充型過程計算機模擬系統。

四、總結

為了滿足鑄造生產的實際需要，凝固模擬需要進一步研究和發展，鑄件缺陷的預測及顯示，鑄造工藝的優化等還需進一步改進。凝固模擬計算結果只給出是與非的結果，即得到完好的鑄件或有缺陷的鑄件。而實際生產中鑄件的品質絕對不是是與非這么簡單，即使較差的工藝設計也不會全是廢品，而是有一定百分比的廢品率。因此，鑄件的生產不僅要減少廢品，而且要求鑄件生產方法和工藝設計有一定的余量，即使生產條件在一定范圍變化，仍可以消除大多數缺陷，是廢品率降到最小。而這個工作模擬軟件尚無法勝任，目前只能由有經驗的鑄造技術人員來完成。

參考文獻：

[1]荊濤.凝固過程數值模擬[M].電子工業出版社，2002.

[2]柳百成，荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質量控制[M].機械工業出版社，2001.

（作者單位：中國重汽濟南鑄鍛中心）