铸造过程的模拟仿真技术及在发动机零部件设计上的应用
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发动机工程研究院
热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程中的热应力数值模拟涉及凝固 过程复杂的传热分析、随温度和组织变化的力学 模型、铸件和铸型之间的相互作用和热裂的发生 等。
铸件热应力模拟可以预测铸件凝固过程中应 力和变形的动态变化，在此基础上进行热裂的预 测，并对铸件残余应力和残余变形进行分析，为 铸件尺寸精度控制提供依据。
化技术可以有效地发现铸件可能产生缺陷的位置
和种类，从而指导工艺人员采取恰当的工艺措施 加以避免。
ห้องสมุดไป่ตู้
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铸造过程的模拟仿真技术
铸锻材料与工艺研究所
通过数值模拟的应用，可以分析铸件中存在
的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施 来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量 的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的 周期，增强产品的市场竞争能力。
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
数值模拟： 在计算机上实现的一个特定的计算，通
过数值计算和图像显示，履行一个虚拟的物 理实验—数值试验。
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有限元法
铸锻材料与工艺研究所
发动机工程研究院
有限元法
铸锻材料与工艺研究所
有限元法（FEM-finite element method）
横浇道
压铸压射速度----压室内冲头推动金属 液时的移动速度。
慢压射速度----通常包括冲头越过浇料 口这段行程。一般为0.1~0.5m/s。
快压射速度----确定内浇道截面积、内 浇口速度，然后根据压室直径得到。
直浇道
内浇道
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铸锻材料与工艺研究所
铸件充型过程（流场）数值模拟
排溢系统----熔融金属在填充型腔过程中，排除型 腔内的气体、涂料余烬以及流动金属前沿的冷金 属的通道和处所。
机械阻碍应力一般在铸件取出或落砂后即消 失，是临时应力，残留应力往往是热应力和相变 应力。
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
热应力数值模拟
铸造应力----金属在凝固和冷却过程中，体积变化受到
外界或本身的制约，变形受阻，产生的应力。
热应力----厚薄不同，冷却速度不同，收缩量不一致，
各部分彼此制约。
铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程中热量的传递包括：金属及铸型 内部的热传导，金属与大气间的辐射传热和 对流传热。
热传导 对流换热 热辐射 凝固过程结晶潜热的处理
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程中结晶潜热的处理：
由于结晶潜热的释放，使铸件凝固期间温度下降速度变慢， 因此，计算时必须把潜热作用考虑进去。
铸锻材料与工艺研究所
目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
发动机工程研究院
发动机工程研究院
铸造过程的模拟仿真技术
铸锻材料与工艺研究所
铸造模拟技术应用流程图
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
等于外界作用在该微元体上的各种力之和。即牛顿第二定律）
能量守恒方程（能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满
足的基本规律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元 体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际上是热力 学第一定律。）
k-ε方程
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铸件充型过程（流场）数值模拟
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
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热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程和冷却过程中，所受的应力为热 应力、相变应力和机械应力的代数和。此应力值 大于金属在该温度下的强度，铸件就产生裂纹。 裂纹一般分为热裂和冷裂。
铸锻材料与工艺研究所
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铸件充型过程（流场）数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
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铸锻材料与工艺研究所
铸件充型过程（流场）数值模拟
浇注系统----引导金属液以一定方式填充型腔的通
道，对金属流的流动方向、排气条件、模具热状
态、压力传递、填充时间及内浇口速度起着重要
的控制和调节作用。
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微观组织数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
Low casting speed High casting speed
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微观组织数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
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微观组织数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
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目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
铸件充型过程（流场）数值模拟
流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括： 质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
连续性方程（质量守恒--单位时间内流体微元体中质量的增加，等
于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。）
动量守恒方程（动量守恒--微元体中流体的动量对时间的变化率
裂纹是沿晶界产生和发展的，外形曲折，一般出现在铸件 的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。
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铸锻材料与工艺研究所
热应力数值模拟
冷裂是铸件在较低的温度下，即处于弹性状态时形成的裂纹。 其形状特征是：裂纹细小、呈连续直线状、裂纹表面有金属 光泽或呈微氧化色。冷裂纹是穿晶而裂，外形规则光滑，常出现在 形状复杂的、大型铸件的、受拉应力的部位，尤其易出现在应力集 中处。
铸锻材料与工艺研究所
铸造过程的模拟仿真技术 及在发动机零部件设计上的应用
发动机工程研究院
铸锻材料与工艺研究所
目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸 造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车 公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等， 都把数值模拟软件作为一种日常工具来使用。
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496凸轮轴上框架
铸锻材料与工艺研究所
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建议加宽此处搭桥
铸锻材料与工艺研究所
结构上壁厚均匀、壁连接均匀，避免孤立的厚 大部位
合理设置浇冒口，实现厚大部位的补缩 合理设置风冷、水冷或冷铁等，实现顺序凝固
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铸锻材料与工艺研究所
目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
相变应力----固态发生相变的合金，因各部分冷却条件
不同，到达相变温度时刻不同，且相变程度不同。
机械阻碍应力----收缩受到铸型、型芯、芯骨等机械阻
碍
机械阻碍应力一般在铸件取出或落砂后即消 失，是临时应力，残留应力往往是热应力和相变 应力。
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热应力数值模拟
热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的。因为在凝固末期， 铸件绝大部分已凝固成固态，但其强度和塑性较低，当铸件的 收缩受到铸型、型芯和浇注系统等的机械阻碍时，将在铸件内 部产生铸造应力，若铸造应力的大小超过了铸件在该温度下的 强度极限，即产生热裂。
建议在此处增加内浇口
496凸轮轴上框架充型过程中前端氧化夹渣预测。
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
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铸锻材料与工艺研究所
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
用有限个单元将连续体离散化，通过对有限 个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一 种数值方法。求解离散方程组就得到有限元法的 数值解。
发动机工程研究院
铸造过程的模拟仿真技术
铸锻材料与工艺研究所
铸造过程是个复杂的过程，并且过程不可见，
很难通过控制铸造过程来控制铸件质量。所以提 出了可视化铸造。
可视化铸造技术通过计算机模拟和X射线实 时观察技术使整个铸造过程变成可视过程。可视
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目录
铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
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铸件充型过程（流场）数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
避免冷隔、浇不足、氧化夹杂、气孔等铸造 缺陷的方法：
主要从铸造工艺方面控制，保证合理的充填顺序和充 填速度，控制金属液的流向，避免空气的卷入，在最后 充填的部位设置排气孔、溢流槽，以及控制浇注温度等。
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
减小和消除缩孔缩松等铸造缺陷的方法：
发动机工程研究院
热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
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热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
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热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
减小和消除铸造应力的方法：
同时凝固 改善型芯砂的退让性、合理设置浇冒口 结构上避免阻碍收缩的结构，如壁厚均匀、壁
之间连接均匀、热节小而分散的结构。 减小机械阻碍 去应力退火 设置防变形的加强筋，或采用反变形措施
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微观组织数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
铸件的组织取决于铸造工艺参数的控制，而组织的 不同又对铸件的使用性能产生很大的影响。
如果能对各种工艺参数的微观组织提前做出预测， 就可以有针对性地对铸造工艺参数做出相应的调整，以 便得到更好的组织和性能。
铸件凝固组织形成过程的数值模拟可以预测铸件的 铸态组织和力学性能，获得主要工艺参数与铸件凝固组 织的定量关系。
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程指高温液态金属由液相向固相的转变过 程。
铸件凝固过程数值模拟是指：建立铸件凝固过程 中传热的数学模型，并通过数值方法进行求解，从 而得到铸件凝固过程的规律，预测铸件缺陷（缩孔、 缩松）产生的可能性及位置。
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铸锻材料与工艺研究所
热焓法—将潜热的释放考虑到热焓中，先求出热 焓，再由热焓与温度的关系求出温度。
温度回升法—把金属凝固时释放的潜热用于补偿 由于热传导所带走的热量，即补偿了由传热所引 起的温度的降低，从而使单元自身温度作相应的 回升。
等价比热容法—将结晶潜热折算成比热容，加到 合金的实际比热上，作为合金结晶温度区间的修 正比热。
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铸件充型过程（流场）数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
液态金属的充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的 许多缺陷在此过程中形成。铸件充型过程中会产生氧化、 传热、热损失、冲击破坏等一系列化学和物理的变化，因 此充型过程与铸件质量密切相关。
研究金属液对铸型的充填能力以及金属液与铸型的热、 物理、化学作用，了解和掌握充型过程的流动规律，进而 正确设计浇注系统、排溢系统，设置充型工艺参数，保证 金属液平稳有序地充型，是得到优质健全铸件的重要条件 之一 。
溢口
作用： 排除在填充过程中流动金属前沿的冷金属 容纳混有气体、氧化物、涂料等异物的金属 控制金属流的填充形态 消除或转移缩孔、气孔、涡流和冷隔等缺陷 布置推杆，利于顶出铸件
排气道
溢流槽
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铸件充型过程（流场）数值模拟
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铸件充型过程（流场）数值模拟
热应力数值模拟
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铸件凝固过程中的热应力数值模拟涉及凝固 过程复杂的传热分析、随温度和组织变化的力学 模型、铸件和铸型之间的相互作用和热裂的发生 等。
铸件热应力模拟可以预测铸件凝固过程中应 力和变形的动态变化，在此基础上进行热裂的预 测，并对铸件残余应力和残余变形进行分析，为 铸件尺寸精度控制提供依据。
化技术可以有效地发现铸件可能产生缺陷的位置
和种类，从而指导工艺人员采取恰当的工艺措施 加以避免。
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铸造过程的模拟仿真技术
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通过数值模拟的应用，可以分析铸件中存在
的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施 来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量 的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的 周期，增强产品的市场竞争能力。
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数值模拟： 在计算机上实现的一个特定的计算，通
过数值计算和图像显示，履行一个虚拟的物 理实验—数值试验。
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有限元法
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有限元法
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有限元法（FEM-finite element method）
横浇道
压铸压射速度----压室内冲头推动金属 液时的移动速度。
慢压射速度----通常包括冲头越过浇料 口这段行程。一般为0.1~0.5m/s。
快压射速度----确定内浇道截面积、内 浇口速度，然后根据压室直径得到。
直浇道
内浇道
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铸件充型过程（流场）数值模拟
排溢系统----熔融金属在填充型腔过程中，排除型 腔内的气体、涂料余烬以及流动金属前沿的冷金 属的通道和处所。
机械阻碍应力一般在铸件取出或落砂后即消 失，是临时应力，残留应力往往是热应力和相变 应力。
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热应力数值模拟
铸造应力----金属在凝固和冷却过程中，体积变化受到
外界或本身的制约，变形受阻，产生的应力。
热应力----厚薄不同，冷却速度不同，收缩量不一致，
各部分彼此制约。
铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程中热量的传递包括：金属及铸型 内部的热传导，金属与大气间的辐射传热和 对流传热。
热传导 对流换热 热辐射 凝固过程结晶潜热的处理
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程中结晶潜热的处理：
由于结晶潜热的释放，使铸件凝固期间温度下降速度变慢， 因此，计算时必须把潜热作用考虑进去。
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铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
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铸造模拟技术应用流程图
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铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
等于外界作用在该微元体上的各种力之和。即牛顿第二定律）
能量守恒方程（能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满
足的基本规律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元 体的净热流量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际上是热力 学第一定律。）
k-ε方程
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铸件充型过程（流场）数值模拟
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
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热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程和冷却过程中，所受的应力为热 应力、相变应力和机械应力的代数和。此应力值 大于金属在该温度下的强度，铸件就产生裂纹。 裂纹一般分为热裂和冷裂。
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铸件充型过程（流场）数值模拟
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铸锻材料与工艺研究所
铸件充型过程（流场）数值模拟
浇注系统----引导金属液以一定方式填充型腔的通
道，对金属流的流动方向、排气条件、模具热状
态、压力传递、填充时间及内浇口速度起着重要
的控制和调节作用。
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微观组织数值模拟
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Low casting speed High casting speed
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微观组织数值模拟
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微观组织数值模拟
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铸件充型过程（流场）数值模拟
流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括： 质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
连续性方程（质量守恒--单位时间内流体微元体中质量的增加，等
于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。）
动量守恒方程（动量守恒--微元体中流体的动量对时间的变化率
裂纹是沿晶界产生和发展的，外形曲折，一般出现在铸件 的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。
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热应力数值模拟
冷裂是铸件在较低的温度下，即处于弹性状态时形成的裂纹。 其形状特征是：裂纹细小、呈连续直线状、裂纹表面有金属 光泽或呈微氧化色。冷裂纹是穿晶而裂，外形规则光滑，常出现在 形状复杂的、大型铸件的、受拉应力的部位，尤其易出现在应力集 中处。
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铸造过程的模拟仿真技术 及在发动机零部件设计上的应用
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铸造过程的模拟仿真技术介绍
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
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如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸 造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车 公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等， 都把数值模拟软件作为一种日常工具来使用。
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496凸轮轴上框架
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建议加宽此处搭桥
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结构上壁厚均匀、壁连接均匀，避免孤立的厚 大部位
合理设置浇冒口，实现厚大部位的补缩 合理设置风冷、水冷或冷铁等，实现顺序凝固
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铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
相变应力----固态发生相变的合金，因各部分冷却条件
不同，到达相变温度时刻不同，且相变程度不同。
机械阻碍应力----收缩受到铸型、型芯、芯骨等机械阻
碍
机械阻碍应力一般在铸件取出或落砂后即消 失，是临时应力，残留应力往往是热应力和相变 应力。
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热应力数值模拟
热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的。因为在凝固末期， 铸件绝大部分已凝固成固态，但其强度和塑性较低，当铸件的 收缩受到铸型、型芯和浇注系统等的机械阻碍时，将在铸件内 部产生铸造应力，若铸造应力的大小超过了铸件在该温度下的 强度极限，即产生热裂。
建议在此处增加内浇口
496凸轮轴上框架充型过程中前端氧化夹渣预测。
铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
496凸轮轴上框架 1.3 机械增压器支架 1.3 发电机铸铁支架 477 FC框架 1.6缸体 477缸盖
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铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
用有限个单元将连续体离散化，通过对有限 个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一 种数值方法。求解离散方程组就得到有限元法的 数值解。
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铸造过程是个复杂的过程，并且过程不可见，
很难通过控制铸造过程来控制铸件质量。所以提 出了可视化铸造。
可视化铸造技术通过计算机模拟和X射线实 时观察技术使整个铸造过程变成可视过程。可视
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铸件充型过程（流场）数值模拟 凝固过程（温度场）数值模拟 热应力数值模拟 微观组织数值模拟
铸造模拟技术在发动机零部件设计上的应用
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铸件充型过程（流场）数值模拟
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避免冷隔、浇不足、氧化夹杂、气孔等铸造 缺陷的方法：
主要从铸造工艺方面控制，保证合理的充填顺序和充 填速度，控制金属液的流向，避免空气的卷入，在最后 充填的部位设置排气孔、溢流槽，以及控制浇注温度等。
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
减小和消除缩孔缩松等铸造缺陷的方法：
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减小和消除铸造应力的方法：
同时凝固 改善型芯砂的退让性、合理设置浇冒口 结构上避免阻碍收缩的结构，如壁厚均匀、壁
之间连接均匀、热节小而分散的结构。 减小机械阻碍 去应力退火 设置防变形的加强筋，或采用反变形措施
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微观组织数值模拟
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铸件的组织取决于铸造工艺参数的控制，而组织的 不同又对铸件的使用性能产生很大的影响。
如果能对各种工艺参数的微观组织提前做出预测， 就可以有针对性地对铸造工艺参数做出相应的调整，以 便得到更好的组织和性能。
铸件凝固组织形成过程的数值模拟可以预测铸件的 铸态组织和力学性能，获得主要工艺参数与铸件凝固组 织的定量关系。
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铸件凝固过程（温度场）数值模拟
凝固过程指高温液态金属由液相向固相的转变过 程。
铸件凝固过程数值模拟是指：建立铸件凝固过程 中传热的数学模型，并通过数值方法进行求解，从 而得到铸件凝固过程的规律，预测铸件缺陷（缩孔、 缩松）产生的可能性及位置。
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热焓法—将潜热的释放考虑到热焓中，先求出热 焓，再由热焓与温度的关系求出温度。
温度回升法—把金属凝固时释放的潜热用于补偿 由于热传导所带走的热量，即补偿了由传热所引 起的温度的降低，从而使单元自身温度作相应的 回升。
等价比热容法—将结晶潜热折算成比热容，加到 合金的实际比热上，作为合金结晶温度区间的修 正比热。
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液态金属的充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的 许多缺陷在此过程中形成。铸件充型过程中会产生氧化、 传热、热损失、冲击破坏等一系列化学和物理的变化，因 此充型过程与铸件质量密切相关。
研究金属液对铸型的充填能力以及金属液与铸型的热、 物理、化学作用，了解和掌握充型过程的流动规律，进而 正确设计浇注系统、排溢系统，设置充型工艺参数，保证 金属液平稳有序地充型，是得到优质健全铸件的重要条件 之一 。
溢口
作用： 排除在填充过程中流动金属前沿的冷金属 容纳混有气体、氧化物、涂料等异物的金属 控制金属流的填充形态 消除或转移缩孔、气孔、涡流和冷隔等缺陷 布置推杆，利于顶出铸件
排气道
溢流槽
发动机工程研究院
铸件充型过程（流场）数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
发动机工程研究院
铸件充型过程（流场）数值模拟