灰铸铁是我国国民经济乃至世界制造业最主要的材料之一,是近代工业生产中应用最为广泛的一种铸造金属材料。由于其优良的铸造性能,良好的加工性能和成本低廉等优点,灰铸铁在一般的机械制造、冶金矿山、石油化工、交通运输和国防工业等各部门中发挥着基础性的作用。但是,灰铸铁生产能耗高、环境污染严重。采用先进的铸造工艺设计手段,可以提高成品率,降低废品率,可以降低能耗和污染。国外已较多地采用CAD/CAM等计算机辅助软件及模拟软件,而在我国基本上还是靠工艺员经验进行设计,缺乏科学性和可靠性,造成铸件质量与国外先进水平相比有较大差距。铸造CAE方法借助于凝固模拟技术,用计算机模拟铸件的凝固过程,揭示缺陷产生的原因并以此来指导设计和改善铸造工艺,缩短设计周期,提高生产效率。作者以凝固理论、传热学原理和灰铸铁凝固特性等为基础,采用热力学方法与动力学方法相结合的模拟技术建立灰铸铁模拟框架。灰铸铁凝固可分为初生相析出和共晶凝固两个阶段,而一般工业灰铸铁共晶相比重较高。对初生奥氏体析出采用热力学计算模型,建立固相率与温度的关系；对共晶相采用动力学计算模型——即形核生长的计算模型,通过建立生长速度与过冷度的关系来确立固相率与过冷度的关系。采用热焓法进行潜热处理,通过固相率计算潜热的释放,根据灰铸铁初生相与共晶相潜热释放过程不同的特点,提出将初生相与共晶相潜热分别处理的方法。采用临界固相率与收缩量综合法预测缩孔,采用考虑压力的G／R^1/2法预测缩松。分析了碳当量、孕育量和冷却速度与共晶团形核率的关系,设计并浇注了一系列灰铸铁阶梯件,同时记录冷却曲线。基于瞬时形核的思想建立了与碳当量、孕育量和冷却速度有关的灰铸铁共晶团形核率的计算模型,实现了定量分析。用DSC差示扫描量热法测量并分析上述实验铸件成分的潜热,依据测量数据分别建立了初生相和共晶相的潜热释放计算模型。并发现灰铸铁潜热仅随合金成分的变化而变化,硅含量对亚共晶灰铸铁的影响较大,随着硅含量越多,共晶释放潜热和初生奥氏体析出潜热相应减少。在依据数学模型和实验建立的上述形核和潜热计算模型的基础上,用面向对象的程序设计语言C++设计并开发了灰铸铁凝固过程模拟计算软件TMCast-Gray Iron,成功预测缩孔、缩松缺陷。TMCast-Gray Iron采用自创的多熔池判别技术,准确、快速划分出多个缩孔、缩松熔池,用新的判别技术替代迭代算法,可以提高20%的软件运算速度。程序实现冷却曲线显示并输出,温度场输出,并为用户提供共晶团数量、压力等属性的查看。