如今，隨著計(jì)算機(jī)軟件、人工智能的發(fā)展、模擬分析軟件的準(zhǔn)確性和可信度的提高，模流分析軟件在鑄造行業(yè)的應(yīng)用越來越普遍。cae模擬技術(shù)廣泛應(yīng)用于鑄造模具的開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)。數(shù)值計(jì)算理論與GPU并行技術(shù)的突破，現(xiàn)代鑄造工藝已進(jìn)入數(shù)字化模擬與物理實(shí)驗(yàn)雙輪驅(qū)動(dòng)的時(shí)代。本文基于筆者在高壓/低壓/ 重力鑄造 領(lǐng)域23年的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合典型工藝案例，深度剖析模流CAE技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用要點(diǎn)。

鑄造模擬技術(shù)原理與工程邊界條件

鑄造過程本質(zhì)是金屬熔體在復(fù)雜約束條件下的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程，其數(shù)值模擬需建立包含Navier-Stokes方程、能量守恒方程及凝固相變方程的三維耦合模型。特別需要強(qiáng)調(diào)的是，工程實(shí)踐中必須重視以下關(guān)鍵參數(shù)：
界面換熱系數(shù)：實(shí)測數(shù)據(jù)與軟件默認(rèn)值偏差可達(dá)40%，需采用熱流探針進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定
熔體流變特性：壓鑄 鋁合金 在高速充型階段呈現(xiàn)明顯非牛頓流體特征
凝固收縮補(bǔ)償：需結(jié)合合金熱物性數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動(dòng)態(tài)迭代計(jì)算

鑄造模擬CAE主流軟件

模流CAE技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的流體模擬技術(shù)，它使用數(shù)學(xué)模型和算法來模擬和分析流體流量。在鑄造領(lǐng)域，模流CAE技術(shù)可以模擬模具中金屬液體的充電和凝固過程，包括流速、壓力分布、溫度場變化等，幫助工程師更好地理解和控制鑄造過程。

Magmasoft

MAGMASOFT軟件是一家專門從事鑄造行業(yè)的德國公司開設(shè)的cae仿真軟件。該軟件可以是正確的 鑄造 對(duì)充型、凝固、冷卻、熱處理、應(yīng)力應(yīng)變等內(nèi)容進(jìn)行全面模擬分析。該軟件的模擬技術(shù)使復(fù)雜的鑄造過程數(shù)字化、形象化，更容易被鑄造者觀察和理解。同時(shí)，計(jì)算速度也比較快，差不多是一個(gè)工作日。遇到薄壁件沒有問題(FLOW3D對(duì)薄壁件產(chǎn)品頭疼)，軟件熱縮結(jié)果準(zhǔn)確，但軟件流量不如flow3d和procast。

典型應(yīng)用：汽車轉(zhuǎn)向節(jié) 低壓鑄造 工藝優(yōu)化
優(yōu)勢：獨(dú)有的"雙網(wǎng)格"技術(shù)有效平衡計(jì)算效率（8小時(shí)內(nèi)完成300萬網(wǎng)格計(jì)算）
局限：復(fù)雜澆注系統(tǒng)流態(tài)預(yù)測偏差需人工修正

Flow3d

FLOW3D在美國開發(fā)，應(yīng)用廣泛。它是一種通用軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、金屬鑄造、涂料、消費(fèi)品、微噴墨頭、海運(yùn)、微機(jī)電系統(tǒng)、水力學(xué)等領(lǐng)域。FLOW3D在壓鑄領(lǐng)域的應(yīng)用精度極高，參數(shù)設(shè)置合理，流動(dòng)精度可達(dá)90%以上。FLOW3D采用了一種非常重要的流體動(dòng)力學(xué)方法，如提高穩(wěn)定性和獨(dú)特的自由表面跟蹤技術(shù)（VOF），使結(jié)果更加逼真，更像壓鑄過程。FLOW3D操作簡單，界面和操作過程不多，這是一個(gè)很好的特點(diǎn)。唯一的缺點(diǎn)是計(jì)算時(shí)間會(huì)比較長，一般一天到三天。如果產(chǎn)品很大(500mm*400mm*300mm)，計(jì)算需要近四天。而且對(duì)網(wǎng)格的處理要求也比較高。與韓國軟件anycasting相比，每個(gè)人都覺得流動(dòng)的體現(xiàn)更相似。但細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于anycasting.

案例驗(yàn)證：某航天器鈦合金鑄件卷氣缺陷預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)93%
VOF算法優(yōu)勢：薄壁件自由表面追蹤誤差<0.2mm
計(jì)算成本：某新能源汽車電機(jī)殼體（620×480×320mm）全流程模擬耗時(shí)98小時(shí)

Procast

美國Procast軟件 UES（UNIVERSALENERGY SYSTEM） 公司開發(fā)的鑄造過程模擬軟件。模塊很多，速度很快，但是網(wǎng)格劃分有點(diǎn)反人類，參數(shù)比較全面，需要大量的人來輸入。與其他CAE鑄造模擬分析軟件相比，駕駛手動(dòng)變速器更自動(dòng)。在流動(dòng)和熱縮方面，軟件模擬結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，參數(shù)設(shè)置符合現(xiàn)實(shí)時(shí)可達(dá)到90%以上的準(zhǔn)確性。甚至更高。

Anycasting

Anycasting是一個(gè)基于Windows操作平臺(tái)的新一代高級(jí)鑄造模擬軟件系統(tǒng)，專門為各種鑄造工藝開發(fā)的模擬系統(tǒng)。經(jīng)過多年的迭代升級(jí)，該軟件具有強(qiáng)大的Real Flow求解器和三維處理技術(shù)可以模擬各種鑄造工藝，包括壓鑄、低壓鑄造、砂型鑄造等，為用戶提供高效、準(zhǔn)確、逼真的鑄造模擬分析結(jié)果。

華鑄CAE

華鑄CAE是一個(gè)集成軟件系統(tǒng)，位于華中科技大學(xué)，經(jīng)過30多年的研發(fā)，在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善。以鑄件充電和凝固過程的數(shù)值模擬技術(shù)為核心，對(duì)鑄件的成型過程進(jìn)行工藝分析和質(zhì)量預(yù)測，協(xié)助工藝人員完成鑄件的工藝優(yōu)化。該軟件在計(jì)算機(jī)上模擬鑄件的充型和凝固過程，預(yù)測鑄件過程中可能出現(xiàn)的卷氣、夾渣、沖砂、澆筑不足、冷隔、縮孔、縮松等缺陷。

本土化優(yōu)勢：砂型鑄造工藝包覆蓋90%國內(nèi)鑄造企業(yè)需求
實(shí)測數(shù)據(jù)：縮松預(yù)測與工業(yè)CT檢測結(jié)果相關(guān)性R2=0.87
最新進(jìn)展：GPU加速模塊使計(jì)算效率提升400%

典型工程應(yīng)用場景與價(jià)值量化

澆注系統(tǒng)優(yōu)化

在某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體高壓鑄造項(xiàng)目中，通過Flow3D模擬發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)扇形澆口存在金屬液對(duì)撞問題。優(yōu)化為階梯式澆注系統(tǒng)后：
卷氣缺陷率從12%降至2.3%
模具壽命延長30%

凝固過程控制

采用Magmasoft對(duì)鐵路鑄鋼件進(jìn)行凝固模擬，通過調(diào)整冷鐵布局：
工藝出品率從68%提升至82%
射線探傷合格率提高18個(gè)百分點(diǎn)

微觀組織預(yù)測

基于Procast的二次開發(fā)模塊，成功預(yù)測某鋁合金輪轂的晶粒度分布：
實(shí)測值與預(yù)測值誤差<1.5級(jí)
熱處理工藝優(yōu)化節(jié)約能耗22%

技術(shù)發(fā)展前沿與工程建議

多物理場耦合：當(dāng)前亟需突破流場-應(yīng)力場-微觀組織的實(shí)時(shí)耦合算法
數(shù)字孿生應(yīng)用：建議企業(yè)建立工藝參數(shù)-模擬結(jié)果-檢測數(shù)據(jù)的閉環(huán)驗(yàn)證體系
國產(chǎn)軟件突圍：華鑄CAE在砂型鑄造領(lǐng)域已達(dá)到國際先進(jìn)水平，建議優(yōu)先考慮