铸造热应力主要是由于铸件凝固时各部分冷却不均匀以及铸型（芯）的阻碍作用导致合金冷却过程收缩受阻与不同部位的相互制约产生的。铸造热应力是导致铸件裂纹或变形报废的主要原因之一。近年来随着温度场数值模拟技术的成熟，铸造热应力数值模拟逐渐成为铸造过程宏观模拟的研究热点。目前，铸造过程中的温度场、流场的数值模拟多采用有限差分法（FDM），而在铸造热应力数值分析方面不得不采用有限元（FEM）方法。采用两个不同的（FDM和FEM）数值模拟软件包和两种不同的网格模型分别进行充型凝固和热应力分析，会大大降低了运算效率和计算精度。因此，本文致力于开发基于单一有限差网格的温度场与应力场一体化的铸造热应力数值模拟软件。本文利用FDM在网格剖分、温度场模拟等方面方便快捷的优势，基于FDM采用热-力单向耦合方法，自主开发基于Windows平台的专业化、实用化的FDM铸造热应力模拟软件，实现前处理、温度场和应力场等模块统一于单一模型，该软件可以模拟铸件的残余应力和残余变形，预测铸件发生裂纹的部位和倾向。本文开发了基于STL实体模型的FDM网格剖分前处理模块。本模块对STL实体模型采用先剖分后容错的计算方法，能够根据STL实体模型自动调整网格剖分参数，剖分程序简单、精度高、工程实用性强。本模块采用动态数据存储技术，根据STL模型文件规模和剖分参数分配内存，程序占用内存少、且不受网格剖分数目限制，能为用户提供设置规模的非均匀正交六面体FDM网格。借由该模块实现了从CAD造型软件系统到本文铸造热应力模拟分析程序的无缝连接。本文建立了热-力单向耦合分析的温度场和应力场数值模拟数理模型，研究了温度场和应力场的差分解法，开发了基于FDM的温度场和应力场模拟模块。温度场模拟采用全隐式格式离散，自动调整时间步长，在保存较少的温度场个数的情况下，能为后续应力场模拟提供合适的温度载荷增量，保证热应力场求解的精度和收敛性。基于热弹塑性模型的应力场模拟，根据应力阻模型，基于非均匀网格模型和交错网格技术，选取位移法建立差分离散化方程组，采用逐线高斯-赛德尔(Line Gauss-Seidel)迭代法求解。在求解时，提出了“一次存储，多次使用”离散方程系数，以及把计算域的各方向的极限值处理成函数以缩小计算域等关键技术，提高了热应力模拟计算效率。本文选取典型应力框铸件对铸造热应力模拟软件进行了校核和实验验证。针对应力框铸件凝固过程中的温度、应力与变形分布、变化规律进行了数值模拟以校核该软件。浇注了应力框铸件，现场测量了指定部位的冷却曲线、动态变形曲线，并用切割释放法测量了特定部位的残余应力，为铸造热应力模拟软件的验证提供了可靠的实验数据。应力框模拟结果与实测结果吻合较好，热应力数值模拟软件的准确性和可靠性得到了验证。本文对型板和波导件铸件进行了热应力预测分析，以评价模拟软件的实际工程应用能力。模拟预测结果与实际生产结果吻合良好，表明所开发的热应力数值模拟系统能准确预测铸造过程中铸件的应力和变形，指导生产实践中合理铸造工艺的设计，降低废品率、提高铸件尺寸精度、减少成形缺陷并提高生产效率，为铸造工艺的制订提供科学的指导。