1.1 概述
在鑄造生產(chǎn)中，鑄件凝固過程是最重要的過程之一，大部分鑄造缺陷產(chǎn)生于這一過程。凝固過程的數(shù)值模擬對優(yōu)化鑄造工藝，預(yù)測和控制鑄件質(zhì)量和各種鑄造缺陷以及提高生產(chǎn)效率都非常重要。
凝固過程數(shù)值模擬可以實現(xiàn)下述目的：
1）預(yù)知凝固時間以便預(yù)測生產(chǎn)率。
2）預(yù)知開箱時間。
3）預(yù)測縮孔和縮松。
4）預(yù)知鑄型的表面溫度以及內(nèi)部的溫度分布，以便預(yù)測金屬型表面熔接情況，方便金屬型設(shè)計。
5）控制凝固條件。
6）為預(yù)測鑄應(yīng)力，微觀及宏觀偏析，鑄件性能等提供必要的依據(jù)和分析計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
鑄件凝固過程數(shù)值模擬開始于60年代，丹麥FORSUND把有限差分法第一次用于鑄件凝固過程的傳熱計算。之后美國HENZEL和KEUERIAN應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C內(nèi)缸體鑄件進行數(shù)值計算，得出了溫度場，計算結(jié)果與實測結(jié)果相當(dāng)接近。這些嘗試的成功，使研究者認識到用計算數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件的凝固過程具有巨大的潛力和廣闊的前景。于是世界上許多國家都相繼開展了鑄件凝固過程數(shù)據(jù)模擬以及與之相關(guān)的研究工作。
1.2 數(shù)學(xué)模型的建立和程序設(shè)計
液態(tài)金屬澆入鑄型，它在型腔內(nèi)的冷卻凝固過程是一個通過鑄型向環(huán)境散熱的過程。在這個過程中，鑄件和鑄型內(nèi)部溫度分布要隨時間變化。從傳熱方式看，這一散熱過程是按導(dǎo)熱，對流及輻射三種方式綜合進行的。顯然，對流和輻射的熱流主要發(fā)生在邊界上。當(dāng)液態(tài)金屬充滿型腔后，如果不考慮鑄件凝固過程中液態(tài)金屬中發(fā)生的對流現(xiàn)象，鑄件凝固過程基本上看成是一個不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程。因此鑄件凝固過程的數(shù)學(xué)模型正是根據(jù)不穩(wěn)定導(dǎo)熱偏微分方程建立的。但還必須考慮鑄件凝固過程中的潛熱釋放。
基于分析和計算模型開發(fā)相應(yīng)的程序，即可實現(xiàn)鑄造凝固過程溫度場的計算。
1.3 溫度場的數(shù)值模擬
在熱模擬中,溫度場的數(shù)值模擬是最基本的，以三維溫度場為主要內(nèi)容的鑄件凝固過程模擬技術(shù)已進入實用階段,日本許多鑄造廠采用此項技術(shù)。英國的Solstar系統(tǒng)由三維造型,網(wǎng)格自動剖分,有限差分傳熱計算,縮孔縮松預(yù)測,熱物性數(shù)據(jù)庫及圖形處理等模塊組成。
1.4 鑄件充型過程的數(shù)值模擬
鑄件充型過程的數(shù)值模擬是通過計算金屬液充型過程中的流體流動得出的。充型過程的數(shù)值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統(tǒng)中以及在型內(nèi)的流動情況。包括:流量的分布、流速的分布以及由此導(dǎo)致的鑄件溫度場分布。
