本教材系統(tǒng)地闡述了材料液態(tài)成形（鑄造）過程數(shù)值模擬理論及其求解方法和應用實例。先簡要介紹了材料成形模擬技術與基本方法；再按先理論后實例的方式分別介紹了成形過程涉及的溫度場、流動場、應力場、濃度場、電磁場以及微觀組織模擬等六個方面，較好地覆蓋了目前材料成形數(shù)值模擬技術的各個方面。其中，理論部分詳細介紹了各種物理場對應的數(shù)學模型與求解方法，實例部分則針對可能的成形缺陷以及對應的工藝優(yōu)化舉例進行了詳細說明。 數(shù)值模擬技術是近幾十年來尤其是近二十年來鑄造等材料成形領域發(fā)展的*重要的新興技術，本教材順應時代新發(fā)展以及研究生教育的改革，能夠充實目前材料加工工程領域數(shù)值模擬教學實力，為鑄造行業(yè)數(shù)值模擬人才的培養(yǎng)提供*利器。

本書由華中科技大學周建新教授團隊撰寫，作者團隊秉承所提出的實際案例搬進教材的教學理念，編者將90余個案例、200余張鑄件圖片放入教材中，讓學生更能深入理解和運用模擬技術。為了使學生學會總結歸納所學知識并訓練學生分析問題和解決問題的能力，每一章均安排了學習指導與習題，書末也提供了教材編寫的參考文獻，可供讀者進一步學習。 本書可作為高等院校材料加工工程專業(yè)的研究生教材，也可作為材料加工工程液態(tài)成形等相關方向的科研工作者、企業(yè)工程管理者、工藝優(yōu)化設計人員以及關注數(shù)字化、信息化、智能化技術的人員的參考書。

前言 金屬液態(tài)成形（鑄造）是指將熔融金屬在重力場或其他外力場(壓力場、離心力場、電磁力場等)作用下澆入鑄型中，冷卻并凝固而獲得具有型腔形狀制品的成形方法。隨著計算機與數(shù)值分析等技術的發(fā)展，鑄造工藝設計從過去依靠實際試錯法，到現(xiàn)在通過成形過程數(shù)值模擬進行電腦試錯，在計算機虛擬環(huán)境中完成鑄造工藝的優(yōu)化設計。在傳統(tǒng)鑄鍛焊等熱成形工藝中，鑄造是普遍公認的數(shù)值模擬技術應用*為成熟的領域，近40年國內(nèi)外也出現(xiàn)了許多成熟的商業(yè)化軟件，已成為提高鑄件質(zhì)量以及鑄造成形技術水平的重要手段，可實現(xiàn)鑄件成形制造過程的工藝優(yōu)化，預測鑄件組織、性能，確保鑄件質(zhì)量，顯著縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低生產(chǎn)費用，并大量節(jié)約資源與能源。數(shù)值模擬技術使鑄造實現(xiàn)了由傳統(tǒng)的睜眼造型，閉眼澆鑄到現(xiàn)代的睜眼造型，睜眼澆鑄的轉(zhuǎn)變。 雖然鑄造行業(yè)已經(jīng)普遍認可數(shù)值模擬在工藝優(yōu)化設計方面的巨大作用，但是從有用到用好的轉(zhuǎn)變，不僅需要一批具有遠見卓識的企業(yè)家、高水平的軟件研發(fā)人員，還需要培養(yǎng)一大批懂鑄造數(shù)值模擬的管理人員、技術人員以及軟件使用者。在此背景下，編者結合近20年教學經(jīng)驗，與華鑄軟件中心近40年的鑄造數(shù)值模擬技術方面的研發(fā)與實踐工作經(jīng)驗，以及作為所在單位材料加工工程方向研究生負責人近10年的管理經(jīng)驗，編寫此教材，以求充實目前材料加工工程領域數(shù)值模擬方面的教程，為材料成形鑄造等行業(yè)數(shù)值模擬人才的培養(yǎng)提供*利器。 鑄造數(shù)值模擬涉及材料加工、力學、數(shù)學、計算機、軟件等多個學科，因此，在教材編寫時，編者對于難以理解的、跨學科的基本概念和基本理論，敘述上由淺入深、循序漸進。秉承所提出的實際案例搬進教材的教學理念，編者將90余個案例、200余張鑄件圖片放入教材中，讓學生更能深入理解和運用模擬技術。為了使學生學會總結歸納所學知識并訓練學生分析問題和解決問題的能力，每一章均安排了學習指導與習題，書末也提供了教材編寫的參考文獻，可供讀者進一步學習。教材共13章：第1、2章概述了材料成形模擬技術以及數(shù)值模擬基本方法；第3～13章使用先理論、后實例的方式介紹了鑄件成形過程所涉及的溫度場、流動場、應力場、濃度場、電磁場以及微觀組織模擬等6個方面，理論部分詳細介紹了每一種物理場對應的數(shù)學模型與求解方法，實例部分則針對可能的成形缺陷以及對應的工藝優(yōu)化舉例進行了詳細說明，較好地覆蓋了目前鑄造數(shù)值模擬技術各個方面。 本教材由華中科技大學周建新、殷亞軍、計效園、沈旭、李文共同編寫完成。其中：周建新為主編，負責第1章、第2章的編寫以及全書的統(tǒng)稿；殷亞軍為副主編，負責第3章、第5章、第7章、第9章的編寫；計效園為副主編，負責第4章、第6章、第8章、第10章的編寫；沈旭負責第11章、第12章的編寫，李文負責第13章的編寫。本書可作為高等院校材料加工工程專業(yè)的研究生教材，也可作為材料加工工程液態(tài)成形等相關方向的科研工作者、企業(yè)工程管理者、工藝優(yōu)化設計人員以及關注數(shù)字化、信息化、智能化技術的人員的參考書。鑒于編者水平有限，書中不足之處還請讀者批評指正。周建新2022年11月于華中科技大學

周建新 男，1975年生，二級教授，博導，華中學者，材料加工系副主任，材料成形與模具技術國家重點實驗室副主任、智能化綠色化鑄造技術及應用研究團隊首席教授，華鑄軟件中心課題組負責人。

第1章緒論(1)

學習指導(1)

第1節(jié)研究目的與研究內(nèi)容(1)

1. 研究目的(1)

2. 研究內(nèi)容(2)

第2節(jié)數(shù)值分析方法(2)

1. 有限差分法（FDM）(2)

2. 有限元法（FEM）(3)

3. 有限體積法（FVM）(3)

4. 直接差分法（DFDM）(3)

5. 邊界元法（BEM）(4)

第3節(jié)CAE軟件組成(4)

1. 前處理模塊(4)

2. 計算分析模塊(5)

3. 后處理模塊(5)

本章小結(6)

本章習題(6)

第2章數(shù)值模擬方法基礎(7)

學習指導(7)

第1節(jié)有限差分法基礎(7)

第2節(jié)差分原理及逼近誤差(8)

1. 差分原理(8)

2. 逼近誤差(9)

第3節(jié)差分方程、截斷誤差和相容性(11)

第4節(jié)收斂性與穩(wěn)定性(15)

1. 收斂性(15)

2. 差分格式的依賴區(qū)間與影響區(qū)域(17)

第5節(jié)Lax等價定理(18)

第6節(jié)有限元法概述(19)

第7節(jié)變分原理(20)

第8節(jié)里茲法(20)

第9節(jié)有限元求解基本過程(21)

1. 確定位移插值函數(shù)(21)

2. 建立應變應力矩陣(23)

3. 建立單元剛度方程(24)

4. 建立并求解整體剛度方程(24)

本章小結(24)

本章習題(25)

第3章溫度場數(shù)學模型與數(shù)值求解(26)

學習指導(26)

第1節(jié)傳熱的基本方式(26)

1. 熱傳導(26)

2. 熱對流(27)

3. 熱輻射(27)

第2節(jié)溫度場數(shù)學模型(27)

1. 傅里葉定律(27)

2. 熱傳導微分方程(28)

第3節(jié)基于有限差分法的離散(29)

1. 二維場合的離散格式(29)

2. 三維場合的離散格式(30)

第4節(jié)初始條件與邊界條件(31)

1. 初始條件(31)

2. 邊界條件(32)

第5節(jié)潛熱處理(34)

1. 定義(34)

2. 考慮析出潛熱的熱能守恒式(34)

3. 固相率和溫度的關系(35)

4. 潛熱的實際處理方法(36)

第6節(jié)溫度場數(shù)值模擬流程圖(40)

本章小結(40)

本章習題(41)

第4章溫度場模擬實例(42)

學習指導(42)

第1節(jié)概述(42)

第2節(jié)砂型鑄鋼件應用實例(42)

1. 殼體鑄件凝固過程模擬(42)

2. 索箍鑄件的工藝優(yōu)化(43)

3. 大型下機架鑄鋼件工藝優(yōu)化(44)

4. 半齒圈工藝改進(45)

5. 大型牌坊鑄鋼件凝固過程模擬(45)

6. 普通碳鋼閥體凝固過程模擬(46)

7. 不銹鋼閥體工藝改進(46)

8. 型體鑄鋼件工藝改進(48)

9. 某鑄鋼件工藝優(yōu)化(49)

10. 軋輥凝固過程模擬(49)

第3節(jié)熔模鑄鋼件應用實例(51)

1. 熔模鑄件A凝固過程模擬(51)

2. 熔模鑄件B（錘頭）的工藝優(yōu)化(52)

3. 熔模鑄件C凝固過程模擬(52)

4. 熔模鑄件D的工藝優(yōu)化(52)

5. 熔模鑄件E凝固過程模擬(54)

6. 熔模鑄件F凝固過程模擬(54)

7. 熔模鑄件G凝固過程模擬(55)

8. 熔模鑄件H凝固過程模擬(56)

9. 熔模鑄件I凝固過程模擬(57)

第4節(jié)球鐵件應用實例(57)

1. 汽車后橋殼工藝改進(57)

2. 排氣管凝固過程模擬(58)

3. 主軸箱工藝優(yōu)化(58)

4. 某大型球鐵件凝固過程模擬(62)

5. 某汽車球鐵件工藝優(yōu)化(63)

6. 某微型球鐵件工藝優(yōu)化(68)

7. 聯(lián)軸器工藝優(yōu)化(68)

第5節(jié)灰鐵件應用實例(69)

1. 制動盤工藝優(yōu)化(69)

2. DISA灰鐵件凝固過程模擬(69)

3. 保溫冒凝固過程模擬(70)

4. 汽車灰鑄鐵凝固過程模擬(70)

5. 滑閥凝固過程模擬(71)

第6節(jié)銅合金鑄件應用實例(72)

1. 螺旋槳葉片凝固過程模擬(72)

2. 內(nèi)殼體凝固過程模擬(72)

3. 葉輪凝固過程模擬(73)

4. 泵體凝固過程模擬(74)

5. 精密鑄銅件凝固過程模擬(75)

第7節(jié)鋁合金重力鑄件應用實例(76)

1. 鋁合金輪轂鑄件A凝固過程工藝分析(76)

2. 鋁合金輪轂鑄件B凝固過程工藝分析(77)

3. 鋁合金鑄件C凝固過程工藝優(yōu)化(77)

4. 鋁合金鑄件D凝固過程工藝優(yōu)化(77)

5. 鋁合金鑄件E凝固過程工藝分析(79)

第8節(jié)鋁合金低壓鑄件應用實例(80)

1. 鋁合金低壓輪轂鑄件A凝固過程工藝分析(80)

2. 鋁合金低壓連接器鑄件B凝固過程工藝分析(81)

3. 鋁合金低壓鑄件C凝固過程工藝分析(81)

4. 鋁合金低壓箱體鑄件D凝固過程工藝分析(82)

5. 鋁合金低壓輪轂鑄件E凝固過程工藝分析(82)

第9節(jié)壓鑄件應用實例(83)

1. 鋁合金壓鑄件A凝固過程模擬(83)

2. 鋁合金壓鑄件B凝固過程模擬(84)

3. 鋅合金壓鑄件C凝固過程模擬(84)

本章小結(85)

本章習題(85)

第5章流動場數(shù)學模型與數(shù)值求解(86)

學習指導(86)

第1節(jié)流體的基本概念(86)

1. 恒定流動和非恒定流動(86)

2. 層流和紊流(87)

3. 黏性流與牛頓流體(87)

第2節(jié)流動分析的主要方法(87)

1. SIMPLE方法(87)

2. MAC及SMAC方法(87)

3. SOLA�睼OF方法(88)

4. SOLAMAC方法(88)

5. FAN方法(88)

6. Finite Volume方法(89)

7. 格子氣模型(89)

第3節(jié)流動場數(shù)學模型(89)

1. 從Eular方程到Navier�睸tokes方程(89)

2. 分離時間變量(91)

3. 方程的矢量形式(91)

4. 連續(xù)性方程(92)

第4節(jié)流動場數(shù)學模型的離散(92)

1. 離散格式的選擇(92)

2. 動量守恒方程(Navier�睸tokes方程)的離散(92)

3. 連續(xù)性方程的離散(93)

第5節(jié)SOLA�睼OF方法(93)

1. 體積函數(shù)的求值(93)

2. SOLA�睼OF計算方法(94)

第6節(jié)流動與傳熱耦合計算(95)

第7節(jié)流動場計算分析的流程(97)

本章小結(98)

本章習題(98)

第6章流動場模擬實例(99)

學習指導(99)

第1節(jié)概述(99)

第2節(jié)鑄鋼件應用實例(99)

1. 前壓圈鑄鋼件充型過程模擬(99)

2. 熔模閥體鑄件充型過程模擬(100)

3. 砂型閥體鑄件充型過程模擬(100)

第3節(jié)球鐵件應用實例(102)

1. 球鐵排氣管鑄件充型過程模擬(102)

2. 球鐵透平缸體充型過程模擬(103)

3. 球鐵鋼錠模鑄件充型過程模擬(104)

4. 球鐵DISA鑄件充型過程模擬(105)

第4節(jié)灰鑄鐵件應用實例(106)

1. 柴油機機體充型過程模擬(106)

2. 灰鐵箱體蓋充型過程模擬(108)

3. 柴油機缸體充型過程模擬(108)

第5節(jié)銅合金鑄件應用實例(109)

1. 內(nèi)殼體銅合金鑄件充型過程模擬(109)

2. 銅合金泵體充型過程模擬(110)

3. 銅合金傾轉(zhuǎn)鑄件充型過程模擬(111)

第6節(jié)鋁合金重力鑄件應用實例(112)

1. 某鋁合金砂型鑄件充型過程模擬(112)

2. 鋁合金定子鑄件充型過程模擬(112)

3. 鋁合金傾轉(zhuǎn)鑄件充型過程模擬(113)

第7節(jié)低壓鑄件應用實例(114)

1. 上箱體低壓鑄件充型過程模擬(114)

2. 前罩低壓鑄件充型過程模擬(115)

3. 箱體低壓鑄件充型過程模擬(116)

第8節(jié)壓鑄件應用實例(116)

1. 鋁合金壓鑄件后蓋充型過程模擬(116)

2. 鋁合金壓鑄件艙體充型過程模擬(116)

3. 鋁合金壓鑄件硬盤殼充型過程模擬(118)

4. 某鋅合金壓鑄件充型過程模擬(119)

5. 鋅合金壓鑄件烘手罩充型過程模擬(119)

6. 鋁合金壓鑄件蓋體充型過程模擬(120)

7. 某鋁合金壓鑄件充型過程模擬(120)

8. 鋁合金壓鑄件變速箱充型過程模擬(121)

本章小結(123)

本章習題(123)

第7章應力場數(shù)學模型與數(shù)值求解(124)

學習指導(124)

第1節(jié)引言(124)

第2節(jié)應力場數(shù)學模型(125)

第3節(jié)熱�擦︸詈蠑�(shù)學模型(125)

第4節(jié)熱�矐�力場數(shù)學模型離散(126)

1. 離散化過程(126)

2. 單元平衡方程的組裝及約束處理(127)

3. 本構方程的離散(129)

4. 熱載荷的離散(132)

第5節(jié)應力場計算分析流程(133)

本章小結(134)

本章習題(134)

第8章應力場模擬實例(135)

學習指導(135)

第1節(jié)概述(135)

第2節(jié)鑄造凝固應力場模擬應用實例(135)

1. 應力框試件應力場模擬(135)

2. 減速箱箱體鑄件應力場模擬(138)

3. 槽板鑄件應力場模擬(139)

4. 鋁合金機殼試件應力場模擬(140)

第3節(jié)固定端上擺熱處理應力場模擬實例(142)

1. 模擬參數(shù)的確定(142)

2. 溫度場模擬結果與分析(143)

3. 應力場模擬結果與分析(144)

4. 變形量模擬結果與分析(145)

第4節(jié)固定端上擺補焊應力場模擬實例(146)

1. 模擬參數(shù)的確定(146)

2. 溫度場模擬分析與討論(147)

3. 應力場模擬分析與討論(148)

第5節(jié)彎梁鋁合金鑄件熱處理時效應力模擬實例(150)

1. 彎梁鑄件幾何模型及劃分網(wǎng)格(150)

2. 合金材料參數(shù)及工藝條件(151)

3. 應力變形模擬結果分析與討論(152)

4. 時效處理模擬結果分析與討論(155)

本章小結(156)

本章習題(156)

第9章濃度場數(shù)學模型與數(shù)值求解(157)

學習指導(157)

第1節(jié)概述(157)

第2節(jié)宏觀偏析缺陷預測理論模型(158)

第3節(jié)溶質(zhì)擴散理論基礎(160)

1. 物質(zhì)間的傳質(zhì)方式(160)

2. 凝固尺度(160)

3. 宏觀偏析機理(161)

第4節(jié)鑄造濃度場特性及數(shù)值求解過程(162)

1. 鑄造濃度場的特性(162)

2. 數(shù)值求解過程(162)

第5節(jié)鑄造濃度場求解流程圖(165)

本章小結(165)

本章習題(166)

第10章濃度場模擬實例(167)

學習指導(167)

第1節(jié)概述(167)

第2節(jié)自然對流下濃度場模擬實例(167)

1. 二維Fe�睠合金算例研究(167)

2. 三維鑄鋼件模擬研究(173)

第3節(jié)等軸晶移動濃度場模擬實例(182)

1. 二維Fe�睠合金算例研究(182)

2. 三維鑄鋼件模擬研究(183)

本章小結(185)

本章習題(185)

第11章電磁場數(shù)學模型與數(shù)值求解(186)

學習指導(186)

第1節(jié)概述(186)

1. 感應電爐熔煉過程與簡化的物理模型(186)

2. 金屬凝固過程與簡化的物理模型(187)

3. 基本假設(188)

第2節(jié)電磁場數(shù)學模型(188)

1. 電磁場控制方程數(shù)學建模(188)

2. 復矢量磁位和復標量電位描述求解方程組(190)

3. 邊界條件(191)

第3節(jié)電磁條件下多物理場數(shù)學模型(193)

1. 假設條件(193)

2. 傳熱與流動耦合數(shù)學模型(194)

3. 流動與傳質(zhì)耦合數(shù)學模型(195)

第4節(jié)電磁條件下多物理場數(shù)學模型離散(196)

1. 混合交錯網(wǎng)格模型建立(196)

2. 渦流區(qū)Vm內(nèi)(199)

3. 非渦流區(qū)Vo內(nèi)(200)

4. 求解域外邊界上(200)

5. 渦流區(qū)外邊界上(200)

6. 電磁收斂條件(203)

第5節(jié)電磁條件下多物理場模擬計算流程圖(203)

本章小結(205)

本章習題(205)

第12章電磁場模擬實例(206)

學習指導(206)

第1節(jié)感應電爐熔煉過程電磁場數(shù)值模擬算例(206)

1. 引言(206)

2. 模型網(wǎng)格與計算參數(shù)(207)

3. 電磁場模擬結果與分析(208)

4. 電磁傳熱耦合行為模擬結果與分析(213)

5. 傳熱與流動行為耦合模擬結果與分析(217)

第2節(jié)鑄鋼錠凝固過程電磁場數(shù)值模擬算例(219)

1. 引言(219)

2. 模型網(wǎng)格與計算參數(shù)(219)

3. 電磁場模擬結果與分析(221)

4. 傳熱行為數(shù)值模擬結果與分析(225)

5. 流動行為數(shù)值模擬結果與分析(226)

6. 傳質(zhì)行為數(shù)值模擬結果與分析(230)

本章小結(235)

本章習題(235)

第13章金屬材料成形微觀組織模擬(236)

學習指導(236)

第1節(jié)概述(236)

第2節(jié)微觀組織模擬方法(237)

1. 合金凝固組織模擬數(shù)理基礎(237)

2. 組織模擬的數(shù)值方法(239)

第3節(jié)液態(tài)成形凝固組織模擬實例(242)

1. 元胞自動機方法枝晶組織模擬實例(242)

2. 元胞自動機方法晶粒結構模擬實例(244)

3. 相場法二元及多元合金組織模擬實例(246)

4. 相場法兩相及多相組織模擬實例(248)

本章小結(250)

本章習題(251)

參考文獻(252)