本文研究了以长江三峡工程水轮机叶片为代表的大型铸钢件凝固冷却过程，这对于理解铸钢的凝固特性和改进生产工艺有重要的理论价值，同时又有很强的现实意义和广泛的应用前景。 结合三峡工程水轮机叶片材质ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢，在分析相图特点的基础上研究了其相变规律。依据经典理论分阶段建立了ZG0Cr13Ni4Mo材质相变全过程的形核、生长和传质数学模型。阐述了宏微观耦合的思想及其实现方法，采用两种网格剖分步长和计算时间步长来减少计算量，完成了数值算法的程序编制和调试。在三峡工程水轮机叶片国内首次试生产时，实验研究其所用材质的微观组织，观察并分析其微观组织特点，测量了马氏体板条间距，得出马氏体板条间距不随奥氏体晶粒大小变化的结论。对比分析了实验结果和模拟结果的奥氏体晶粒尺寸及马氏体板条束在原奥氏体晶粒内数目。模拟结果与实验结果吻合较好，证明所建立数学物理模型是可信的。 对于大型铸钢件的补浇工艺和打箱情况，综合考虑铸件凝固冷却过程中热传导、热对流和热辐射三种热传递方式作用下铸件温度场变化，建立了能够模拟这些工艺的温度场模型并进行了实验验证。 建立了基于微机平台的铸件应力场数值模拟系统，实验测定了两种形状应力框的残余应力应变，对比分析了计算和实验结果。应用该系统对弓形应力框进行计算，分析了不同直杆与弓形杆截面积之比情况下应力框的应力应变特性，提出了铸件拉筋的设置原则。 温度场和应力场研究成果已应用于东方汽轮机厂汽缸铸件、第二重型机械集团公司三峡工程水轮机叶片铸件和东方电机厂长轴头铸件等多个工程项目中，模拟结果对于指导大型铸钢件生产工艺的制订或改进起到了重要的指导作用，取得了明显的经济和社会效益。