我國鑄造模擬仿真研究早在20世紀(jì)80年代就開始了。經(jīng)過三十多年的努力，已經(jīng)建立了完善的鑄造過程模擬仿真研究體系，包括各種鑄造方法，如砂型鑄造、消失模鑄造、精心鑄造、壓鑄、低壓鑄造、離心鑄造等；各種合金，如鑄鐵、鑄鋼、鋁合金、鎂合金、鎳基高溫合金等。開發(fā)的模擬分析軟件包括傳熱分析、充型流動(dòng)、應(yīng)力變形、組織模擬等，也在逐漸將充型凝固過程的模擬擴(kuò)展到整個(gè)鑄件生產(chǎn)過程，如鑄件凝固后冷卻、落砂清理、后續(xù)熱處理等，初步實(shí)現(xiàn)了全過程的模擬仿真。一些商品化軟件已在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了越來越重要的作用，如清華大學(xué)的鑄造之星、華中科技大學(xué)的華鑄CAE等。自主軟件適應(yīng)國內(nèi)鑄造企業(yè)和鑄造工藝的情況，定價(jià)低，在中小企業(yè)中的地位比較穩(wěn)固。
近幾年來，我國鑄造模擬仿真技術(shù)在輕金屬材料鑄造成形方面的研究和發(fā)展勢頭強(qiáng)勁。面向汽車、軍工等行業(yè)對高性能輕金屬結(jié)構(gòu)件鑄造成形技術(shù)的需求，主動(dòng)開展鋁、鎂合金鑄造及凝固過程宏/微觀建模與仿真研究。我國也主動(dòng)開展了鑄造模擬仿真技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制造中的應(yīng)用，并且已經(jīng)取得了較好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益，研究水平與國際尚有一定差距，但有自己的特色。鑄造模擬仿真技術(shù)在我國大型鑄錠及鑄件相關(guān)研究中的應(yīng)用仍處于初步階段，與國外先進(jìn)水平仍存在較大差距。目前大多數(shù)研究只是針對大型鑄錠及鑄件生產(chǎn)過程中的某一環(huán)節(jié)，如針對大型鑄錠/鑄件凝固過程縮孔縮松等缺陷的形成，針對大型鑄錠/鑄件熱處理微觀組織的演變等。
國外鑄造模擬仿真的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
國外鑄造模擬仿真研究早于國內(nèi)，早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始對鑄造充型，凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬。幾十年的發(fā)展使鑄造過程模擬仿真無論在科研領(lǐng)域，還是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域都全方面領(lǐng)頭國內(nèi)。如今鑄造的充型過程與凝固過程方法已逐漸趨于完善。鑄造熱應(yīng)力場數(shù)值模擬技術(shù)由于多種原因，其研究進(jìn)展相對緩慢，主要是沒有可靠的理論和方法來準(zhǔn)確描述應(yīng)力和應(yīng)變形成過程。國外鑄造組織模擬始于20世紀(jì)60年代，但受制于計(jì)算機(jī)科學(xué)的限制以及數(shù)值模擬計(jì)算模型等方面，直到90年代中后期才有了一個(gè)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出來了許多微觀組織模擬方法。從目前情況來看，國外鑄造數(shù)值模擬技術(shù)在理論上正趨向成熟，已出現(xiàn)了許多商品化的鑄造數(shù)值模擬軟件，如ProCAST、MAGMA、AnyCasting、NovaCast、JSCast、FLOW-3D等，并已在多種鑄造方法中廣泛應(yīng)用，在規(guī)模以上企業(yè)中得到了普及。
鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真的基礎(chǔ)研究點(diǎn)正在由宏觀模擬走向微觀模擬。微觀模擬的尺度包括納米級(jí)、微米級(jí)及毫米級(jí)，涉及結(jié)晶生核長大、樹枝晶與柱狀晶轉(zhuǎn)變到金屬基體控制等各個(gè)方面。另外，質(zhì)量控制模擬正在向微觀組織模擬、性能及使用壽命預(yù)測的方向發(fā)展。國外很多學(xué)者也在研究多尺度、全過程的模擬，探索如何實(shí)現(xiàn)宏、介、微觀之間模型的耦合計(jì)算問題。
國內(nèi)外數(shù)值模擬的的差距
（1）國內(nèi)在某個(gè)單獨(dú)方向有很好的研究成果，但整個(gè)過程的系統(tǒng)化研究則很少涉及。
（2）國外在宏觀的液態(tài)金屬充型過程實(shí)驗(yàn)表征和微觀的金屬凝固過程觀察方面做了大量研究，國內(nèi)這方面的研究工作較為薄弱。
（3）智能化鑄造工藝設(shè)計(jì)技術(shù)在國外已經(jīng)開始出現(xiàn)，而國內(nèi)限于少數(shù)高校或研究所。
（4）國內(nèi)對于搭建鑄造材料熱物性參數(shù)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)研究工作較少，相關(guān)配套基礎(chǔ)薄弱，沒有專門的數(shù)據(jù)庫，沒有材料數(shù)據(jù)的熱力學(xué)計(jì)算軟件，完全依賴國外軟件。
（5）自主開發(fā)商品化鑄造模擬仿真軟件方面還很弱，軟件占有率不高，更缺乏在世界上的影響力；鑄造模擬仿真軟件缺乏商業(yè)運(yùn)作，在與公司化運(yùn)作的國外模擬仿真軟件競爭中不占優(yōu)勢；自主研發(fā)軟件資金、技術(shù)、人員投入較少，發(fā)展緩慢。
（6）我國鑄造行業(yè)大而不強(qiáng)，附加值低，利潤率低，難以支撐大的技術(shù)改造和長遠(yuǎn)發(fā)展投資，而且知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)淡薄，力度不夠，因此造成正版軟件購買率低，軟件開發(fā)利潤薄，從而介入該領(lǐng)域的熱情低。
我國鑄造數(shù)值模擬的發(fā)展思路
截至目前，我國鑄造企業(yè)應(yīng)用鑄造過程數(shù)值模擬軟件還不夠普及，配套的鑄造材料熱物性參數(shù)、缺陷判據(jù)參數(shù)和邊界條件數(shù)據(jù)庫不系統(tǒng)不完整，影響計(jì)算精度和工程應(yīng)用水平。輕金屬和高性能鑄鐵鑄造過程數(shù)值模擬還主要集中在宏觀尺度，多尺度多物理量耦合數(shù)理建模及鑄件微觀組織、力學(xué)性能和服役壽命預(yù)測研究和應(yīng)用亟待加強(qiáng)。國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和地面燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金單晶/柱晶葉片數(shù)值模擬軟件研發(fā)水平和工程應(yīng)用水平落后。國內(nèi)少數(shù)幾家鑄造企業(yè)采用兩相流數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化制芯工藝，但所采用的商業(yè)化專用軟件為國外公司開發(fā)。
針對目前鑄造數(shù)值模擬存在的問題，我國應(yīng)該進(jìn)一步加大鑄造數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，以企業(yè)需求作為驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鑄造數(shù)值模擬技術(shù)創(chuàng)新上、中、下游的對接與耦合；同時(shí)加大鑄造數(shù)值模擬投入，集合我國鑄造數(shù)值模擬技術(shù)研究以及應(yīng)用的優(yōu)勢單位，主要開展鑄造數(shù)值模擬的系統(tǒng)化、智能化、集成化以及實(shí)驗(yàn)支撐等相關(guān)工作。
| 上一條:2020年中國挖掘機(jī)產(chǎn)銷量全球占比或突破70% | 下一條:中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)劉鴻超秘書長一行蒞臨鑄力鑄材指導(dǎo) |
