凝固组织对铸件的性能有重要影响,对凝固组织的控制研究,过去一般采用物理实验的方法,浪费了大量的人力和物力,实验周期长,使得该方法在实际应用中的范围受到了一定限制。随着金属凝固理论的日益完善以及计算机技术在材料科学、冶金学上应用的迅猛发展,使得计算机技术对凝固组织进行准确的模拟成为可能。本文建立了有限元(Finite Element)和元胞自动机法(Cellular Automaton)相结合的宏微观耦合的CA-FE模型,采用有限元法(FE)计算宏观温度场,元胞自动机法(CA)计算微观凝固组织形成,与宏观传热进行耦合。在微观计算中,形核计算采用了基于高斯分布的连续形核模型,生长计算采用了扩展的KGT模型,使其适用范围由二元合金扩展至多元合金。应用CA-FE模型模拟了Al-Si合金的三维凝固组织,并进行了热态验证实验,应用修正的数学模型模拟并分析了原始成分、形核参数、浇注条件和铸模对凝固组织的影响。研究结果表明:(1)模拟结果能够较为准确地反映出等轴晶和柱状晶的分布位置、比例和大小,并能较好描述凝固过程中晶粒生长情况,说明CA-FE模型是模拟凝固组织的有效模型;(2)降低原始成分Si含量以及提高过冷度是有利于柱状晶的发展,而增大形核密度是有利于等轴晶的发展,且能细化晶粒;(3)提高浇注温度,凝固组织中柱状晶增多,且晶粒明显变得粗大,而铸模外界冷却强度对铸件凝固组织的影响不大;(4)增大铸模厚度和使用冷却能力强的铸模都将使凝固组织中柱状晶比例增大,当使用冷却能力差的硅砂模时,凝固组织没有柱状晶而全为等轴晶。