第1章绪论
选题背景和研究意义
1.1选题背景
铸造在我国是一种历史十分悠久的金属成型方法，距今已有6000年悠久的历史，早在两千多年之前就铸出了大型的铸铁刑鼎。虽时至今日，但大多数毛坯仍采用铸造的方法来生产，这主要是铸造与其它材料成形方法相比具有如下独到的优点:
1)其适用范围非常广泛。在机械产品中，内燃机大部分关键零件都是铸件，占其总质量的70%^-90%，汽车中铸件质量占的19%^-23%，在其它诸如冶矿(钢、铁、非铁合金)、能源(火、水、核电等)、海洋和航空航天等工业的装备中，铸件都占有非常大的比重和并且起到了很重要的作用。铸造十分灵活方便，它可以不受铸件形状、大小以及厚薄等限制，重量可以为几克，也可以达到300t以上
2)铸造所用到的原材料来源十分广泛，凡是能够融化成液态合金的几乎均可以用于铸造，如废机件、金属切屑、铸钢等。
3)铸件一般都具有一定的尺寸精度，并且都要比普通锻件、焊件的成形尺寸精确。
4)成本低廉，综合经济性能好，能源材料的消耗及成本为其它金属成形方法所不及的。
铸造通常情况下是指用熔融的合金材料制作零件的方法，首先制备好铸型，在将液态合金注入其中并使之冷却、凝固而获得毛坯或者零件。一般情况下通过铸造方法所得到的铸件大都只是毛坯，还需要进一步的机加工，才能作为各种机器的零部件;当然，如果所铸出的铸件达到了用户所需的尺寸精度和表面粗糙度的要求时，那就可以作为产品或零件而直接使用。我国铸件产量多年居世界第一(国民日常生活、国防军事等各方面对铸件的需求量很大)，从数量上已经成为了一个铸造大国。但是与西方欧美等发达国家相比，我国的铸造整体
水平还很落后。铸件产品中主要以低精度的铸件为主，而精密铸件和优质、高性能铸件所占比例较少，并且废品率很高。种种数据表明我国还不能算是铸造强国。根据我国现在的国情和时代的需要，我国铸造业必须走优质、高效、可持续发展的道路
1. 1. 2研究意义
国内铸造行业整体工艺水平较低，无法高效的获得优质的铸件，并且大多数企业相关的技术人员只能凭借实际生产经验来完成模具的设计和生产工艺的优化，这样一来就消耗了大量的人力和物力资源，并使整个产品的生产周期大大延缓，减弱了生产厂家的竞争力。
到了21世纪，在计算机科学技术和计算流体力学的快速发展的大背景下，铸造计算机数值模拟技术及相关理论越来越完善，它已经逐渐成为了一种可靠而实用的科学分析手段。因此用计算机数值模拟技术研究铸造充型过程具有重要的科学价值和实用意义
1. 2国内外铸造数值模拟软件发展状况
铸造过程数值模拟研究，主要是对液态合金的凝固和充型过程的进行计算机模拟仿真，通过分析计算所得到的速度场、压力场的变化规律，可以使我们用数值模拟的方法得到金属液在型腔中的流动和充填状态。从而为我们优化浇注系统，防止金属液在浇道中吸气，消除多股金属液交汇产生的融接痕，减少因紊流卷入空气产生缺陷机率，减轻金属液对铸型的冲击和腐蚀，最终消除这些因金属液充型不良而造成的铸造缺陷
而今，随着计算机技术的飞速发展，计算机CADCAMCAE在铸造等领域得到了广泛的应用。而对充型过程的数值模拟又是铸造整个过程模拟的难点和重点，主要是因为这部分内容的理论基础深、技术含量高，过程复杂，研究难度大。
为铸造过程的充型过程很短，压力场和速度场都会随时间而不断的变化，金属液不断的流入(充填)型腔，流域范围不断扩大，自由表面也会不断的改变，合金液的充型过程是极其复杂的;其次，在具体的求解过程中，需要对连续性方程、动量方程及能量方程这三大数学模型进行迭代计算，计算量大，迭代过程容易发散。经过这几十年快速的发展，国内外相关企业、高校已开发出实用性很强的商业化软件，像美国的PROCAST、日本的JSCAST，还有韩国的AnyCasting.
第3章 充型模拟数学模型........... 23-42
3.1 金属液充型的特点........... 23-24
3.2.1 金属液充型........... 23
3.2.2 数学模型的........... 23-24
3.2 充型模拟数学模型...........24-30
3.2.1 连续性方程........... 24-25
3.2.2 动量守恒........... 25-30
3.2.3 能量守恒........... 30
3.3 发展方程的有限...........30-34
3.3.1 有限差分........... 30-31
3.3.2 有限差分法........... 31-32
3.3.3 有限差分方程........... 32-33
3.3.4 有限差分方程........... 33-34
3.4 对数学模型进行........... 34-41
3.4.1 进行离散化........... 34
3.4.2 交错网格........... 34-37
3.4.3 数学模型........... 37-41
3.5 本章小结........... 41-42
第4章 充型过程的流场分析........... 42-59
4.1 流场的求解过程........... 42-46
4.1.1 用SOLA法求........... 42-45
4.1.2 对SOLA法做...........45-46
4.2 自由表面的........... 46-53
4.2.1 VOF法的基本........... 46-47
4.2.2 常用的VOF构........... 47-48
4.2.3 自由表面法线........... 48-49
4.2.4 流体流量........... 49-53
4.3 其它相关处理........... 53-58
4.3.1 压力边界条件........... 53-54
4.3.2 速度边界条件........... 54-58
4.3.3 数值计算稳定........... 58
4.4 本章小结........... 58-59
总结与展望
本文在深入的研究了大量的流场模拟方法的基础上，针对充型计算中存在迭代不易收敛、迭代计算量大以及边界条件设置等问题进行了研究，得出了以下一些结论:
(1)通过对金属液体流动规律的分析，建立了充型流动的数学模型。并对该数学模型采用了交错网格和有限差分法的离散方法，从而解决了波形速度场和棋盘形压力场的问题。
(2)依据SOLA-VOF法计算流程图对速度场和压力场进行了迭代求解，并对充型过程中可能出现的各种自由表面的流态进行了较全面的探讨和分析。
(3)采用Microsoft Visual C++6.0作为模拟软件的开发平台，采用面向对象的编程方法编制了铸件充型过程的流场求解模块。软件界面友好，使用简单，本文所研发的模块具有很好的可扩展性。