2. 铸造工艺基础与仿真对象抽象

铸造仿真不是把三维模型丢进软件就能得到可信结果。真正决定计算成败的，是能否把砂型铸造、金属型铸造、压铸、熔模铸造这些不同工艺，抽象成仿真求解器能够识别的几何、材料与边界条件。同一件铸件，用砂型还是金属型生产，其换热系数、充型速度、凝固时间可能相差一个数量级，抽象方式错了，后面再精细的网格也无济于事。

一、四类工艺的物理特征差异

砂型铸造使用型砂作为铸型，型腔强度低、退让性好，但导热系数小，铸件冷却慢，凝固时间常以小时计。金属型铸造用金属模具，导热快、冷却速度高，铸件晶粒细、力学性能好，但模具成本高，适合中小件批量生产。压铸把熔融金属以高速高压压入金属模具，充型时间常在几十毫秒量级，卷气与冷隔是主要缺陷来源。熔模铸造先用蜡模制壳，再焙烧脱蜡得到陶瓷型壳，型壳预热后浇注，适合高温合金精密件，但型壳导热与蓄热特性介于砂型和金属型之间。

这些差异直接决定了仿真中哪些物理量必须保留、哪些可以简化。砂型铸造必须考虑型砂的蓄热与水分迁移，金属型铸造必须考虑模具的循环热平衡，压铸必须考虑高速充型下的湍流与气体卷入，熔模铸造则要关注型壳预热温度与辐射换热。

二、几何抽象：从CAD到仿真域

实际铸件模型包含大量工艺圆角、拔模斜度、加工余量和浇冒口系统。仿真前需要做几何清理：删除小于网格尺寸的倒角与圆孔，合并共面碎片，修补破面。对于薄壁件，若壁厚小于最小网格尺寸的三倍，应做中面抽取或壳单元简化，否则体网格质量会急剧恶化。

浇注系统、冒口、冷铁、过滤网是否需要建入模型，取决于仿真目标。若只关心铸件本体凝固，可把浇冒口简化为等效热源或绝热边界；若要分析卷气与缩孔位置，则必须完整建入。压铸的冲头与压室也应建入，因为冲头运动直接影响金属液进入型腔的速度与温度分布。

三、材料参数：从手册到仿真输入

仿真需要的材料参数通常包括密度、比热、导热系数、潜热、固相线与液相线温度、粘度随温度变化曲线。砂型铸造中，型砂的导热系数随含水量和紧实率变化，应使用实测或供应商提供的温度相关曲线，而不是常温单值。金属型铸造中，模具材料（如H13钢）的导热系数随温度升高而下降，忽略这一点会导致凝固时间预测偏短。

压铸的界面换热系数是最大不确定源。金属液与模具之间在充型阶段为接触换热，凝固后形成间隙，换热系数从数千W/(m²·K)骤降到数百。常用做法是分段设置：充型阶段取5000～8000，凝固初期取2000～3000，间隙形成后取500～1000。这些数值属于示例范围，实际应结合试模测温反算。

四、边界条件：把工艺参数翻译成求解器语言

浇注温度、模具预热温度、环境温度、界面换热系数、对称面、绝热面、压力入口、速度入口，是铸造仿真最常见的边界类型。砂型铸造的浇口常设为速度入口或压力入口，充型时间由浇注时间控制。金属型铸造的模具外表面设为对流换热，换热系数取10～30 W/(m²·K)。压铸的冲头速度曲线是核心输入，通常以时间-速度表形式给出，慢压射段用于排气，快压射段用于充型。

熔模铸造的型壳外表面在焙烧后温度可达900～1100℃，浇注前需设置型壳预热温度，浇注后型壳与炉壁之间以辐射为主，应启用辐射换热模型。若忽略辐射，型壳温度下降过快，薄壁件会提前凝固。

五、抽象检查清单与常见错误

完成抽象后，建议逐项核对：几何是否封闭、最小特征是否大于网格尺寸的1.5倍、材料参数是否覆盖从浇注到室温的全温度区间、界面换热系数是否按充型/凝固/间隙三阶段设置、入口速度或压力是否与工艺参数一致、对称面与绝热面是否误用。

常见错误包括：把砂型导热系数设为常数导致凝固时间偏短；压铸充型时间设得过长，实际几十毫秒的过程被拉长到几秒，卷气位置完全失真；熔模铸造忽略辐射换热，型壳温度下降过快，薄壁处提前凝固；金属型铸造未考虑模具循环预热，第一模与第十模的温度场差异被忽略。

六、从工艺到仿真的完整映射示例

以铝合金压铸件为例：铸件壁厚3mm，材料ADC12，浇注温度650℃，模具预热180℃，冲头速度2.5m/s，充型时间约40ms。几何抽象时保留浇排系统与溢流槽，删除小于1mm的圆角。材料参数使用ADC12的温度相关导热系数与潜热。边界条件中，冲头设为速度入口，模具外表面设为对流换热，界面换热系数充型阶段取6000 W/(m²·K)，凝固阶段取2500，间隙形成后取800。求解设置启用湍流模型与VOF两相流，时间步长取0.1ms以捕捉充型前沿。

这样的抽象方式，既保留了压铸高速充型的物理本质，又把计算量控制在可接受范围内。仿真结果可以观察充型顺序、卷气位置、凝固时间与缩孔倾向，为工艺优化提供依据。