铸造过程的数值模拟研究---改造传统产业的必由之路

中国工程院院士、清华大学机械工程系教授  柳百成

 

 

    铸造行业作为制造业的重要组成部分对国民经济的发展有重要的作用。面向市场经济，迎接全球化制造的挑战，要为国民经济发展做出贡献，就要十分重视制造业特别是铸造行业的发展。因为，无论是传统材料或是新材料只有及时通过铸造等成形制造过程成为高质量、零缺陷工件或部件，才能服役于国民经济各部门，而且材料的最终结构、性质及使用性能是通过铸造等成形制造过程而获得的。因此，铸造过程的本质是既要控制铸件的形状，更要控制它的组织和性能。在可预见的将来，汽车工业、航空航天工业、能源工业的核电站及长江三峡特大型水轮发电机组中将有大量的铸造成形加工等关键技术问题。

 

    铸造过程的计算机模拟仿真是用信息科学带动传统产业发展的重要举措，是材料科学、制造科学及信息科学等多门学科交叉的前沿研究领域，是改造传统产业的必由之路。铸造过程的数值模拟，可以优化铸造工艺、确保铸件的质量、缩短试制周期、降低生产成本，已成为铸造学术界及工业界研究与开发的热点。

 

 

    我是我国改革开放后第一批国家派往美国进修的访问学者，在美国亲眼目睹了信息技术的发展，敏锐地觉察到计算机技术正在改变世界的面貌。因此，1981年我刚回国就亲自组建计算机辅助铸造工程研究室，在一个6平方米的简陋仓库里添置了一台微机开始起步。

 

     计算机辅助铸造工程研究室经过了近20年的努力拼搏，在铸造过程宏观及微观数值模拟领域取得了重大进展。

 

    计算机辅助铸造工程研究室首先在国内开展了铸造过程三维温度场模拟研究，在实验研究各种铸造条件下铸件凝固行为的基础上，建立了定量预测铸钢件缩孔、缩松的判据；提出了动态判定铸件凝固过程孤立熔池域的新方法，解决了预测多个冒口特别是冒口位于不同高度时的缩孔难题；提出了定量预测铸钢件缩孔的等效液面下降法；在国内外首次提出定量预测球墨铸铁件缩孔的动态收缩膨胀叠加新方法。研究成果为消除铸件内部缺陷、提高铸件质量奠定了科学基础。

 

    铸造充型过程的数值模拟是一个多学科交叉的领域，涉及到计算机流体力学、传热学、计算机图形学、数值计算、偏微分方程的数学理论和铸件形成理论。研究室采用SOLA-VOF方法计算流动场，三维数值求解连续方程、能量方程、动量方程及体积函数等方程组，用K-e 双方程模型来模拟充型过程中的紊流现象。在此基础上完成了复杂铸件充型过程的数值模拟，在运行速度及预测精度方面均达到了工程实用化程度。

 

    铸件凝固过程中的三维应力场分析是研究的又一难点。我们巧妙地提出采用有限差分方法与有限元方法集成的技术路线，即先采用有限差分法完成温度场的数值模拟，接着采用有限元方法完成应力场的数值模拟，并成功地解决了温度载荷从有限差分模型到有限元模型转换的关键技术。研究成果为预测和分析铸件应力、应变及裂纹、变形等缺陷提供了科学依据。

 

    当前，国际上铸造过程计算机模拟仿真的研究重点正在由宏观模拟走向微观模拟，微观模拟的尺度包括微米级及毫米级。研究室跟踪学科前沿，开展了铸造过程微观数值模拟研究。我们根据结晶及相变动力学理论，在国内首次建立了球墨铸铁件凝固冷却过程各阶段的形核和长大的动力学模型及预测球墨铸铁件微观组织及机械性能的数学模型，并开发了相应的实用化软件。

 

    我比较注意学科交叉及科学技术发展的新趋势，很早就和国家CIMS工程研究中心吴澄院士合作，在国内最早提出及建立了“并行工程”环境下网络化铸造CAD/CAE集成系统，并在实际工程中得到应用。研究室建立的实用化铸件三维凝固过程模拟分析及工艺优化系统，可进行流场、温度场及应力场分析，可实现铸件设计－校核－再设计的全过程。最近，我们又与计算机科学与技术系李三立院士合作，将先进并行计算方法引入模拟仿真研究，大大提高了计算的规模及效率。这方面的研究在国际上也只有少数几个大学刚刚开始起步。

 

 

    计算机辅助铸造工程研究室在这一领域已承担了多项国家科研项目，其中获国家自然科学重点基金资助的“大型铸件的模拟技术及质量控制”于1997年6月通过国家自然科学基金委员会组织的专家组验收，获得“优秀”评价。专家组的验收结论是：这项研究属先进制造技术基础性研究的学科前沿领域，研究成果对提高大型铸锻件的质量提供了一定的理论依据并提出了一些新工艺、新方法，促进了学科的发展。

 

    部分研究成果已经实现了商品化及产业化，研究开发的商品化“铸造之星”软件，已在全国近50多家工厂推广应用，为工厂取得了十分显著的经济及社会效益。研究成果在实际工程中得到大量的推广应用，例如，在国家科委863/CIMS主题科技攻关项目“并行工程”中得到应用，在研制军用地对空导弹镁合金舱体铸件中发挥了重要指导作用，提高了镁合金舱体铸件质量，取得了明显的经济及社会效益。目前，正在与东方电机集团及第二重型机械集团合作进行长江三峡特大型水轮机叶片铸造工艺方案的模拟研究。

 

    计算机辅助铸造工程研究室在这一领域先后获得多项奖励，包括1996年国家教委科技进步二等奖及1998年教育部科技进步(基础类)一等奖。部分研究成果在国家科委863/CIMS主题攻关项目“并行工程”中得到应用，“并行工程”项目获1998年教育部科技进步二等奖。研究室在这一领域已发表论文100余篇，其中用英文发表50余篇。有20余篇被SCI或EI收录。

 

    作为研究室的负责人我多次被邀请组织国际会议及在国际会议作特邀报告，受到了国际铸造学术界高度评价。1995年，我担任了在北京召开的第60届国际铸造会议学术委员会主席。1996年，我主持在清华大学召开第3届环太平洋国际铸造及凝固过程模拟会议，任组织委员会主席及学术委员会主席。 1998年、1999年及2000年，分别应邀在美国召开的第5届国际铸铁科学及工艺会议、在韩国召开的第4届环太平洋国际铸造及凝固过程模拟会议及在中国召开的国际制造前沿领域会议作大会特邀报告。此外，我还被邀请在美国、英国、韩国等10余所大学，及美国福特汽车公司、摩托罗拉公司及卡特匹勒公司等3家著名公司讲学及作学术报告。研究室还与美国、韩国3所大学及研究院开展了合作研究。1992年，在美国讲学时密西根州州长专门签署颁发了“特殊表彰”奖状，表彰我在铸造CAD/CAE方面作出的贡献。

 

    清华大学机械工程系计算机辅助铸造工程研究室由于在铸造过程的宏观及微观数值模拟研究领域所取得的成就，已在国际铸造学术界占有了一席之地。经过近20年的努力奋斗，在我的领导下，一支主要由博士及博士生组成的年青学术梯队已经形成；拥有国际一流水平的材料成形加工模拟仿真试验室已经建成。目前，我们正在承担国家科技部重点基础项目及国家自然科学重大基金项目等多项课题，将继续为用信息技术促进铸造传统行业的技术进步开创新的局面。