1.1 概述

    在鑄造生產中，鑄件凝固過程是最重要的過程之一，大部分鑄造缺陷產生于這一過程。凝固過程的數值模擬對優化鑄造工藝，預測和控制鑄件質量和各種鑄造缺陷以及提高生產效率都非常重要。
凝固過程數值模擬可以實現下述目的：
    1）預知凝固時間以便預測生產率。
    2）預知開箱時間。
    3）預測縮孔和縮松。
    4）預知鑄型的表面溫度以及內部的溫度分布，以便預測金屬型表面熔接情況，方便金屬型設計。
    5）控制凝固條件。
    6）為預測鑄應力，微觀及宏觀偏析，鑄件性能等提供必要的依據和分析計算的基礎數據。
    鑄件凝固過程數值模擬開始于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應用瞬態傳熱通用程序對汽輪機內缸體鑄件進行數值計算，得出了溫度場，計算結果與實測結果相當接近。這些嘗試的成功，使研究者認識到用計算數值模擬技術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據模擬以及與之相關的研究工作。

1.2 數學模型的建立和程序設計

    液態金屬澆入鑄型，它在型腔內的冷卻凝固過程是一個通過鑄型向環境散熱的過程。在這個過程中，鑄件和鑄型內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生在邊界上。當液態金屬充滿型腔后，如果不考慮鑄件凝固過程中液態金屬中發生的對流現象，鑄件凝固過程基本上看成是一個不穩定導熱過程。因此鑄件凝固過程的數學模型正是根據不穩定導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相應的程序，即可實現鑄造凝固過程溫度場的計算。

1.3 溫度場的數值模擬

    在熱模擬中,溫度場的數值模擬是最基本的，以三維溫度場為主要內容的鑄件凝固過程模擬技術已進入實用階段,日本許多鑄造廠采用此項技術。英國的Solstar系統由三維造型,網格自動剖分,有限差分傳熱計算,縮孔縮松預測,熱物性數據庫及圖形處理等模塊組成。

1.4 鑄件充型過程的數值模擬

    鑄件充型過程的數值模擬是通過計算金屬液充型過程中的流體流動得出的。充型過程的數值模擬可以分析在給定工藝條件下，金屬液在澆注系統中以及在型內的流動情況。包括:流量的分布、流速的分布以及由此導致的鑄件溫度場分布。