铸造凝固过程中的微观组织数值模拟的方法一般有：确定性方法、随机方法及相场法。其中：确定性方法是指从宏观角度对一定体积的熔体的凝固过程的固液划分。相场法基于“体系总能量总是趋于最小值,熵泛函的变分为零”的思路,在描述非平衡状态中复杂相界面演变时,不需要跟踪复杂固/液界面,就可实现模拟金属凝固过程中枝晶生长的复杂形貌。在材料科学领域应用计算机的主要方向是微观组织的数值模拟,对金属材料的应用和发展有着十分重要的意义。本文介绍了相场模型的基础一尖锐界面模型,然后指出了相场法的基本思想是根据Ginzburg-Landau理论和热力学基本定律建立统一的控制方程,且将尖锐界面通过引入相场变量中变为扩散型界面。提出了纯铝和铝铜二元合金枝晶生长的相场变量扩散模型。该模型是固相率扩散模型,说明了固相率扩散的本质是热的扩散,其基于自由焓的传导方程建立起来。金属及合金的相场方程扩散关系是通过固相率扩散模型和过冷生长模型的对应关系定量地建立起来的。获得的相场模型可对等温或非等温条件下铸件凝固过程微观组织进行模拟。固相率的变化还受到与熵无关的物理量的影响,如生长速度,过冷度等等。对相场模拟模型的物理意义、数值计算方法以及在凝固微观组织模拟中的应用进行了研究。并利用相场模拟方法,求解了Al-4.5%Cu等轴晶枝晶生长过程。论文对各向异性强度对模拟结果的影响进行了研究,并确定了这些关键参数的取值。采用基于均匀网格的有限差分离散控制方程,为了节省时间,温度控制方程则采用显式算法,大大减少了计算量,提高了计算效率。为了直观地显示模拟结果,研究了凝固模拟的可视化技术,给出了枝晶生长过程中一些重要参数的计算方法。基于MFC开发了微观组织模拟结果的可视化软件系统,既可实现以逼真的图像显示模拟结果,又可以方便地实现与各种模型数值计算程序的集成,动态显示模拟结果。综合考虑了7050铝合金在淬火冷却过程中材料热物性参数和高温力学性能参数的非线性性质,以应力框试件为研究对象,借助非线性有限元软件ABAQUS对7050铝合金试件淬火冷却过程中的温度场和热应力场进行了数值模拟。计算结果表明,温度场的数值模拟很好的反映了试件淬火时温度场的分布规律,应力框的变形特征与公认的变形结果符合较好。