铸造热应力的不合理分布可能导致铸件产生残余应力集中、开裂和变形等铸造缺陷,工作人员需要在工艺设计阶段仔细考量,避免以上铸造缺陷产生,不得不采用流程繁琐、时间和经济成本较高的试错法优化工艺,铸造过程热应力数值模拟技术为解决该问题提供了有力的技术支持。目前铸造过程热应力数值模拟技术处于由科学研究到工程应用的过渡阶段,对一些关键性问题仍然没有成熟的处理方法,例如金属固液共存区的本构模型与对应的物性参数难以获得;铸件/铸型接触模型复杂,目前需要简化假设处理,精度较高的接触单元法计算量大,收敛性差;为了约束固体自由度,需要对完全退让性边界施加额外的点/面固定位移约束;铸件结构复杂化导致前处理网格数量暴增,进一步导致计算时间消耗过多等。在此条件下本文基于成熟的FDM铸造传热、流动数值模拟的研究成果,自主研发Windows平台下基于等效质点方法的铸件变形及热应力数值模拟软件,该软件能够较好的支持完全退让性边界条件,无需添加额外约束;前处理模块灵活简单,能够基于其他种类的网格直接生成;与某基于有限元的铸造热应力数值模拟软件相比,该软件具有较高的计算效率。首先,本文在基于热力单向耦合假设、铸造过程温度场与应力场的基本假设条件下,提出了等效质点方法,并介绍了等效质点集合在内存中的存储方式,在第一种存储方式较为浪费内存的前提下,通过引入辅助数据结构创建了第二种存储方式,在有限差分网格数量约100w,铸件网格占比约30%的条件下,第二种存储方式的内存消耗仅为第一种的31%。接着,在成熟的铸造温度场数值模拟研究成果的基础上,研究了基于等效质点的铸件变形及热应力求解方法和处理塑性变形的修正方法,开发了基于等效质点方法的铸件变形数值模拟软件,通过与ANSYS进行基于算例的对比分析,初步证明了本软件计算结果的准确性。其次,本文研究了铸件变形求解方法的并行性能,建立了基于多核并行的加速计算方法和基于优化迭代系数、增加质点连接关系的加速计算方法,通过基于算例的对比分析,证明了加速算法具有较高的计算效率,PNO算法的时间消耗仅为SNO算法的39%左右,PO算法的时间消耗仅为SNO算法的18%左右。最后,本文选取固定端上摆铸件对本软件进行校核和实验验证,针对该铸件凝固过程中的变形进行数值模拟,结果证明模拟结果与实际情况吻合较好,本软件的准确性得到初步验证。本文对支撑架铸件进行了铸件变形预测分析,并对实际浇注铸件进行三维扫描,获得铸件变形数据。在铸件变形位置进行测量结果与模拟结果的对比分析,结果证明预测结果与测量结果具有较高的吻合性。同时与某商用铸造热应力数值模拟软件进行对比,证明了本算法具有较高的计算效率。以支撑架铸件为例,在39w自由度条件下,PNO算法平均计算时间仅为该铸造热应力数值模拟软件的36%左右,PO算法平均计算时间仅为该铸造热应力数值模拟软件的18%左右。综上所述,本文开发的铸件变形数值模拟软件能够为生产实践中优化工艺提供科学的指导,降低时间和经济成本、提高生产效率。