随着计算机技术和数值计算技术的发展完善,计算机在铸造领域得到了广泛的研究和应用。它可以在不进行实际浇注的情况下,模拟铸造的充型、凝固、传热、应力场、微观组织分布、缩孔及缩松的形成等过程,可以大大提高生产效率和经济效益,对于铸造生产具有十分重要的意义。但在我国,铸造过程模拟仿真技术的研究与应用仍处于相当落后的地步,模拟软件的开发相当的欠缺。相对于凝固过程的数值模拟研究,充型过程的数值模拟更加的滞后。 本文主要是针对一般砂型铸造的充型过程进行数值模拟研究并开发具有实用性的充型过程数值模拟软件。金属液的流动过程可以认为是不可压缩的牛顿型流体,依然遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律,据此建立起数学模型方程,再用守恒标量方程处理自由表面问题,采用有限体积法对数学模型方程进行离散,利用计算机计算以获得充型过程中的压力场、速度场、温度场及自由表面的定量变化,从而预测充型过程中产生的缺陷,如冷隔、浇不足、夹渣、流股分离、卷入性气孔等。 本文中,对于数学模型方程的离散,在国内首次将有限体积法成功的应用于铸件充型过程的数值模拟之中。虽然有限体积法在流体流动计算中的应用较多,但铸造充型过程中的流体流动与普通的流体流动有较大的区别,铸造充型过程中的熔融金属液温度较高,液体流动速度较慢,铸件形状极为复杂,流动路径多变,因此,不能简单的将普通的流体流动差分方法应用于铸造中的流体流动。 对于速度场和压力场的求解,方法较多,但就有关迭代、收敛和计算时间等方面进行的比较结果表明,SOLA法的收敛域有较宽的范围,收敛值曲线稳定平滑,迭代收敛稳定性好,每一时间步长所需迭代次数少,占用CPU时间相对较短。 在自由表面的处理时,采用将气液两相流动按单相来处理的守恒标量法求解体积函数方程。守恒标量法采用全流动域计算,将气液两相流动按单相来处理,在计算时可避免施加自由表面边界条件,能方便、迅速、准确地模拟自由表面的流动特点,极大地简化了自由表面的处理。 在求得充型过程速度场、压力场的基础上,采用后处理模块能直观的预测充型过程中的各种缺陷,并根据能量守恒方程进行了耦合温度场的计算,为进一步的凝固过程数值模拟计算提供了较为精确的初始温度场。