Page 101 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制

度和固相率分析，难以全面准确地体现这些宏观因素对缩孔形成的作用。在一些
壁厚差异大的复杂铸件中，Niyama 判据值最小的区域未必是宏观缩孔缩松最严
重的区域，这就使得不能单纯依据判据值大小来确定宏观缩孔和宏观缩松产生的

位置及大小。所以，在实际应用中，对于宏观缩孔的预测，Niyama 判据法通常
需和其他方法，如温度场模拟、凝固过程模拟等配合使用，以提高预测的准确性。
（二）温度场模拟法
温度场模拟法是借助对铸件凝固过程中温度场的模拟，来预估缩孔的形成位

置与大小。在铸造环节，铸件的凝固属于热量传递和散失的过程，温度的分布与
变化直接关乎铸件的凝固次序和收缩状况。由于液态金属在凝固期间会出现体积
收缩，要是在铸件的某些部位，液态金属的收缩无法得到充足的补充，就会产生
缩孔。温度场模拟法基于传热学原理，通过构建铸件凝固过程的数学模型，求解

该模型得出铸件在不同时刻的温度分布，进而剖析凝固过程中的温度变化规律，
预测缩孔可能产生的位置。具体而言，该方法假定铸件是一个连续的介质，在凝
固过程中，热量通过传导、对流和辐射等途径在铸件内部以及铸件与周围环境之
间传递。

运用数值模拟软件开展温度场模拟时，首先要依据铸件的实际尺寸和形状，
在软件里构建三维几何模型。对于形状复杂的铸件，或许需要进行适当简化，以
提升建模和计算效率，同时要保证简化后的模型能够精准反映铸件的关键结构特
征和尺寸参数。接着，对构建好的几何模型进行网格划分，把铸件分割成众多小

单元，常用的网格类型有四面体网格、六面体网格等。网格的密度和质量对模拟
结果的准确性有着重要影响，一般来讲，在温度变化较大的区域，像铸件的薄壁
与厚壁交接处、热节部位等，需要采用较密的网格，以便更精确地捕捉温度的变
化；而在温度变化较为平缓的区域，可以适当降低网格密度，以减少计算量。

在完成网格划分之后，需要设定材料的热物性参数，涵盖铸件材料和铸型材
料的密度、比热容、热导率等，这些参数的准确性直接影响模拟结果的可靠性。
同时，还需要确定初始条件和边界条件，初始条件通常指的是铸件在浇铸瞬间的
温度分布，一般假定为浇铸温度；边界条件则包含铸件与铸型之间的换热系数、

铸件表面与周围环境的对流换热系数、辐射换热系数等。这些参数的设定需要参
考实际的铸造工艺和环境条件，通过查阅相关资料或实验测量来确定。
设置好模型和参数后，挑选合适的数值求解算法，如有限差分法、有限元法

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