鑄件充型凝固過程數(shù)值計算以鑄件和鑄型為計算域，包括熔融金屬流動和傳熱數(shù)值計算，主要用于液態(tài)金屬充填鑄型過程；鑄件鑄型傳熱過程數(shù)值計算，主要用于鑄件凝固過程；應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計算，用于鑄件凝固和冷卻過程；晶體形核和生長數(shù)值計算，主要用于金屬鑄件顯微組織形成過程和鑄件機械性能預(yù)測；傳熱傳質(zhì)傳動量數(shù)值計算，主要用于大型鑄件或凝固時間較長的鑄件的凝固過程。數(shù)值計算可預(yù)測的缺陷主要是鑄件形成過程中易發(fā)生的冷隔、卷氣、縮孔、縮松、裂紋、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通過數(shù)值計算，提出合理的鑄造工藝參數(shù)，包括澆注溫度、鑄型溫度、鑄件凝固時間、打箱時間、冷卻條件等等。目前，用于液態(tài)金屬充填鑄型過程的熔融金屬流動和傳熱數(shù)值計算以及用于鑄件凝固過程的鑄件鑄型傳熱過程數(shù)值計算已經(jīng)比較成熟，逐漸為鑄造廠家在實際生產(chǎn)中采用，下面主要介紹這兩種數(shù)值試驗方法。
  1.1 數(shù)學(xué)模型
   熔融金屬充型與凝固過程為高溫流體于復(fù)雜幾何型腔內(nèi)作有阻礙和帶有自由表面的流動及向鑄型和空氣的傳熱過程。該物理過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，假設(shè)液態(tài)金屬為常密度不可壓縮的粘性流體，并忽略湍流作用，則可以采用連續(xù)、動量、體積函數(shù)和能量方程組描述這一過程。

 1.2 實體造型和網(wǎng)格剖分
   欲進行三維充型凝固過程數(shù)值模擬，首先需要鑄件的幾何信息，具體地說是要根據(jù)二維鑄件圖形成三維鑄件實體，然后再對鑄件實體進行三維網(wǎng)格劃分以得到計算所需的網(wǎng)格單元幾何信息。
   利用市場上成熟的造型軟件（如UG，ProE, Solid-Edge, AutoCAD等）進行鑄件鑄型實體造型，然后讀取實體造型后產(chǎn)生的幾何信息文件（如STL文件），編制程序?qū)嶓w造型鑄件進行自動劃分，這種方法可以大大縮短幾何條件準備時間。剖分后的網(wǎng)格信息包括單元尺寸和單元材質(zhì)標(biāo)識。

   1.3 數(shù)值計算方法
   用于鑄件充型凝固過程數(shù)值計算的方法主要有3種：有限差分法、控制容積法（又稱有限體積法）和有限元法，后兩種方法采用的較少，目前在鑄造市場上推廣的一些數(shù)值模擬軟件大部分采用的是有限差分法。以有限差分法為例，方程（2—1）的離散采用中心差分方法，方程（2—2）和（2—4）的離散采用上風(fēng)方案和中心差分方案相結(jié)合的方法。
   充型過程中液態(tài)金屬自由表面是不斷變化的，每個時間步長對應(yīng)的計算域均不相同，新的計算域的確定是通過求解方程（2-3）得到的。普通的數(shù)值方法在離散方程（2—3）時將造成很大的假擴散問題，計算結(jié)果將出現(xiàn)界面模糊（Smearing）現(xiàn)象，在 F=1 與 F=0 之間存在大量自由表面單元。為了得到清晰的自由表面，美國的科研人員發(fā)展了一種VOF（Volume of Fluid）方法，較好地處理了流體流動過程的自由表面計算問題。目前在計算流體力學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)在VOF方法的基礎(chǔ)上開發(fā)了一些更準確的方法，可以獲得更的流體流動過程自由表面變化。
  充型凝固過程數(shù)值計算步驟如下:
1） 將鑄件和鑄型作為計算域，進行實體造型、剖分和單元標(biāo)識。
2） 給出初始條件、邊界條件和金屬、鑄型的物性參數(shù)。
3） 求解體積函數(shù)方程得到新時刻流體流動計算域。
4） 求解連續(xù)性方程和動量方程，得到新時刻計算域內(nèi)流體速度場和壓力場。
5） 求解能量方程，得到鑄件和鑄型的溫度場及液態(tài)金屬固相分數(shù)場。
6） 增加一個時間步長，重復(fù)3）～6）步至充型完畢。
7） 計算域內(nèi)流體流動速度置零，調(diào)整時間步長。
8） 將充型完畢時計算得到的鑄件和鑄型溫度場作為初始溫度條件，求解能量方程至鑄件凝固完畢。
9） 計算結(jié)果后處理，進行鑄造工藝分析、鑄件缺陷預(yù)報和工藝參數(shù)優(yōu)化工作。
1.4 應(yīng)用實例
   下面給出一個利用ZCAST軟件對低壓鑄造鋁合金輪轂鑄件的鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化的實例。   在輪轂鑄件低壓鑄造過程中，自動控制模具溫度對防止產(chǎn)生縮孔縮松缺陷、組織粗大以及生產(chǎn)周期延長很重要。在金屬型模具設(shè)計中模擬計算和水冷控制器可以作為一種重要的工具。通過模擬循環(huán)過程中輪轂鑄件的流動和凝固設(shè)計合理的冷卻系統(tǒng)。通過使用水冷控制器控制模具的熱量散失或積聚。在鑄造廠家的低壓鑄造輪轂鑄件生產(chǎn)線上通過減少循環(huán)時間和鑄造缺陷可以提高生產(chǎn)率。
   模擬計算步驟如圖2-1所示。首*行前處理，前處理的主要工作是計算域內(nèi)鑄件鑄型的3維實體造型，然后在ZCAST軟件中導(dǎo)入實體造型文件，輸入計算邊界條件,包括入流邊界、初始溫度、熱電偶位置設(shè)置等。