鑄造是一門歷史悠久的金屬熱加工工藝。

“十三五”期間，我國鑄件總產(chǎn)量呈中低速增長態(tài)勢，預計2020年的鑄件總產(chǎn)量將達到5500萬噸左右（摘自《中國鑄造行業(yè)“十三五”規(guī)劃解讀及中國鑄造業(yè)2015數(shù)據(jù)發(fā)布》）。

鑄造成型的工藝過程復雜，影響鑄件質(zhì)量的因素很多，鑄件也容易出現(xiàn)縮孔、縮松、沖砂、澆不足等缺陷。在傳統(tǒng)的鑄造業(yè)中，工藝設計及鑄件質(zhì)量的控制常常依靠經(jīng)驗來處理，鑄造過程中金屬液的流動狀態(tài)以及凝固時的溫度、應力狀態(tài)等都不能直觀的表現(xiàn)出來。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，應用計算機的計算技術(shù)可以模擬鑄造過程中的應力場、溫度場、流場等的變化情況，以及微觀組織晶粒的生成長大和形貌的可視化。

應用數(shù)值模擬技術(shù)，可以減少實驗室研究工作、研發(fā)周期和工藝優(yōu)化的成本，對鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化，進而得到更加優(yōu)質(zhì)的鑄件。

數(shù)值模擬在鑄造業(yè)的發(fā)展歷史

進入21世紀，鑄造模擬技術(shù)在廣度和深度的長足發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方面：

①模擬計算功能由單一的應力場、溫度場、流場等向多場耦合發(fā)展，使得整個模擬過程更貼近鑄造的工藝過程，在鑄件及鑄造工藝整體優(yōu)化設計方面起到了積極作用。

②仿真技術(shù)由宏觀向形成機理方面的模擬計算發(fā)展，借助數(shù)值模擬技術(shù)控制鑄件的組織形成和性能，已成為當下鑄造成型數(shù)值模擬的研究熱點之一。

鑄造業(yè)的數(shù)值模擬計算采用的基本方法通常是有限差分法(Finite Difference Method，簡稱FDM)和有限元法(Finite Element Method，簡稱FEM)。其中，有限差分法簡單、靈活以及通用性強，主要應用于鑄造充填流動的模擬計算。國內(nèi)的鑄造模擬研究工作始于20世紀70年代末，根據(jù)對當前鑄造數(shù)值模擬軟件在中國鑄造企業(yè)的應用情況的調(diào)查和分析，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)各類鑄造模擬軟件用戶超過300家，包括Procast、Magma、Flow3D、Anycast、JScast、華鑄CAE、清華FT-Star等等。幾款常用鑄造過程模擬軟件介紹

AFSolid計算方法：FDM主要功能：幾何建模，充型－凝固模擬適用工藝范圍：砂型、殼型、金屬型和熔模鑄造

CAM-CAST/S IMULOR計算方法：FEM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織模擬適用工藝范圍：砂型、金屬型和熔模鑄造

Pro CAST計算方法：FEM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織、殘余應力模擬適用工藝范圍：砂型、壓鑄、消失模鑄造，反重力、離心、連續(xù)、傾斜等澆注方法以及定向凝固和單晶熔模鑄造等

CASTCAE計算方法：FDM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織模擬適用工藝范圍：砂型、殼型、壓鑄、V法、熔模鑄造

CASTVIEW計算方法：FEM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織、殘余應力模擬適用工藝范圍：砂型、金屬型、壓鑄、低壓鑄造

MAGMA計算方法：FDM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織、殘余應力模擬，鑄件鑄型變形模擬適用工藝范圍：砂型、金屬型、壓鑄、低壓鑄造

MAVIS DIANA計算方法：FDM主要功能：幾何建模、凝固模擬和壓鑄過程中的尺寸變化部重力鑄造－MAVIS壓鑄－DIANA

PASSAGE/POWERCAST計算方法：FEM主要功能：幾何建模，充型－凝固、鑄造微觀組織模擬適用工藝范圍：全部鑄造方法數(shù)值模擬常用于處理鑄造工藝設計不當?shù)膯栴}。如：

由于工藝設計的問題，導致鑄件加工余量大。工藝設計人員憑經(jīng)驗難以控制變形問題，鑄造的加工余量一般比國外大1～3倍，導致鑄件的生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。

由于工藝設計的問題，大型鑄鋼件和大型鋼錠在凝固結(jié)束后，在冒口根部、鑄件的厚大斷面存在宏觀偏析、晶粒粗大問題。

由于工藝設計的問題，出現(xiàn)裂紋、偏析、澆不足、卷氣、夾雜等缺陷，導致鑄件出品率和合格率低等問題。

因此，對澆鑄過程中一些流動和換熱的規(guī)律進行研究，從而設計出合理的鑄型、鑄件結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)，選擇合適的鑄造工藝參數(shù)，最終減少鑄件缺陷，實現(xiàn)鑄造工藝的最優(yōu)化。這樣既提高了鑄件的質(zhì)量，又降低了鑄件廢品率，同時增加了模具的使用壽命。既然數(shù)值模擬能低成本且高效的解決鑄造業(yè)中的眾多問題，那么數(shù)值模擬在鑄造企業(yè)中為何至今還無法普及？

目前，國內(nèi)鑄造企業(yè)應用鑄造過程數(shù)值模擬軟件，與國外先進鑄造企業(yè)還有很大差距。在具備規(guī)模的鑄造企業(yè)中，部分企業(yè)購置了數(shù)值模擬軟件，在新產(chǎn)品設計中、技術(shù)優(yōu)化一定程度上采用了模擬技術(shù)，模擬結(jié)果也發(fā)揮了一定的作用。但是對模擬的認識還比較粗淺，模擬應用人員的層次還比較低，模擬配套的性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫還很缺乏，軟件自帶數(shù)據(jù)庫與企業(yè)的情況不完全一致。除此之外，數(shù)值模擬分析是高技術(shù)分析，對使用人員有比較高的要求。使用軟件的人不僅要熟知鑄造工藝方面的知識，對生產(chǎn)現(xiàn)場也要非常熟悉；而且也應當對數(shù)值模擬軟件的相關原理和算法有一定的認識和理解，才能正確地使用軟件，得到具有借鑒意義的精確模擬計算結(jié)果。

近幾年數(shù)值模擬在我國鑄造業(yè)的發(fā)展，主要研究技術(shù)包括：成形鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)；包含熔煉、熱處理的鑄造成型全流程數(shù)值模擬技術(shù)；鑄造全過程的熱-力-缺陷分析檢測和反饋技術(shù)；鑄造合金和鑄造材料熱物性參數(shù)測量技術(shù)，建立豐富且完善的熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫；基于數(shù)值模擬的智能化鑄造工藝設計與優(yōu)化技術(shù)等。

經(jīng)過大量專家學者的努力，數(shù)值模擬最終會與互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能、智能裝備、數(shù)字化工廠、物聯(lián)網(wǎng)與在線檢測等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)鑄件成形制造過程中的實時工藝優(yōu)化，鑄件組織、性能與使用壽命的預測，零件的質(zhì)量的實時監(jiān)控，產(chǎn)品研發(fā)周期大幅縮短，生產(chǎn)費用大幅降低，資源與能源消耗大量降低等。

總結(jié)

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