4. 仿真前处理实战
前处理是铸造仿真中“决定结果可信度”的阶段。求解器只认识网格与边界条件，它并不知道你的三维模型来自哪个CAD软件、装配时是否留了0.02 mm的缝隙、浇口与铸件之间是“贴合”还是“穿透”。因此，前处理的核心任务可以概括为三件事：把几何变成可离散的封闭体，把封闭体变成质量可控的网格，再把网格上的材料与界面参数赋准。本节以某铝合金支架的砂型重力铸造为例（示例参数为教学假设，非实测数据），走完这条链路。
一、三维模型修复：先让几何“水密”
铸造仿真常用的几何输入是STEP或Parasolid格式。导入后第一件事不是急着划网格，而是做几何诊断。常见缺陷有四类：自由边（面未缝合，模型不封闭）、重复面/重叠面（装配时两零件面重合）、小面与短边（倒角、螺纹、标识文字产生的大量微小特征）、法向不一致（相邻面朝向相反，导致体积计算出错）。
修复顺序建议为：先缝合自由边，容差从0.01 mm起逐步放大到0.05 mm；再删除重复面；然后统一法向；最后处理小特征。判断是否修好的硬指标是：模型为单一封闭实体、体积为正、无自由边与干涉。以支架为例，修复前体积显示为负值，说明法向混乱；统一法向后体积约为 1.86×10⁻³ m³，与CAD测量值一致，即可进入下一步。
二、模型简化：删掉“对传热无贡献”的细节
简化不是“随便删”，而是有依据地降复杂度。原则是：不影响充型流动路径、不改变主要热节位置、不显著改变散热面积的细节可以删。典型可简化对象包括：直径小于3 mm的圆角、深度小于2 mm的刻字与标识、非功能性的小孔与螺纹、装配用的定位凸台。
但有两类细节必须保留：一是内浇口与横浇道，它们直接控制充型顺序；二是冒口颈，其尺寸决定补缩通道是否提前凝固。简化后建议做一次体积对比：若简化前后体积差超过2%，说明删多了，需要回退。支架模型删除倒角与标识后，体积由1.86×10⁻³ m³变为1.84×10⁻³ m³，偏差约1.1%，可接受。
三、网格划分策略：四面体、六面体与边界层
铸造仿真的网格分为铸件/铸型体网格与界面边界层两部分。体网格的选型取决于几何复杂度与求解精度需求：
- 四面体网格：适应任意复杂几何，自动划分快，适合铸件本体、砂型外框等形状不规则区域。缺点是同等精度下单元数多、计算量大，且流动方向易产生数值扩散。
- 六面体网格：单元规则、计算效率高、对流扩散误差小，适合浇道、冒口、规则砂箱等可映射区域。缺点是复杂曲面处难以贴合，需要做几何分块。
- 边界层网格：在铸件与铸型界面、铸件与空气界面附近沿法向加密，用于捕捉界面换热与凝固壳生长。通常设3～5层，首层厚度0.3～0.5 mm，增长率1.2～1.5。
实操中推荐混合策略：铸件与复杂砂型用四面体，浇注系统与规则砂箱用六面体，界面处叠加边界层。以支架为例，铸件区域四面体尺寸设为2 mm，浇道区域六面体尺寸设为3 mm，界面边界层首层0.4 mm、4层、增长率1.3。总单元数约180万，其中边界层单元约22万。判断网格是否合格，看三项：最小单元质量（雅可比>0.3）、最大长宽比（<20）、界面处单元法向对齐（边界层方向与界面法向夹角<15°）。
四、材料属性库：把“热物性”填对
材料库不是只填一个密度就完事。铸造仿真至少需要密度、比热、导热系数、液相线温度、固相线温度、结晶潜热六项，且导热系数与比热应随温度变化。以A356铝合金为例（示例值）：密度2670 kg/m³，液相线615 ℃，固相线555 ℃，结晶潜热约430 kJ/kg，导热系数在固态约150 W/(m·K)、液态约90 W/(m·K)。砂型材料（树脂砂）则需给出导热系数约0.5 W/(m·K)、比热约1100 J/(kg·K)、密度约1550 kg/m³。
建立材料库时建议按“材料名—温度—物性值”三列组织，温度点至少覆盖固相线以下100 ℃到浇注温度以上50 ℃。若软件支持函数拟合，可将导热系数与比热拟合成温度的分段线性函数，避免插值失真。
五、界面换热系数：最容易被低估的参数
界面换热系数 h 描述两个区域之间的换热能力，单位 W/(m²·K)。它直接决定凝固速度与缩孔位置。铸造仿真中常见的界面有三类：铸件-铸型（金属-砂型）、铸件-空气（自由表面或型腔未充满区域）、铸型-空气（砂箱外表面）。
取值不能凭感觉。金属-砂型界面在充型阶段因涂料与气隙，h 通常为500～1500 W/(m²·K)；凝固后期气隙增大，h 可降至200～500 W/(m²·K)。铸件-空气以辐射与自然对流为主，h 约10～30 W/(m²·K)。若软件支持随温度变化的 h，建议按“充型阶段高、凝固阶段低”分段设置。支架案例中，铸件-砂型取800 W/(m²·K)，铸件-空气取15 W/(m²·K)，铸型-空气取10 W/(m²·K)。
六、前处理检查清单
在提交求解前，建议逐项核对：几何是否为单一封闭实体、体积是否为正且与CAD一致；简化后体积偏差是否小于2%；网格最小雅可比是否大于0.3、长宽比是否小于20；边界层是否覆盖所有换热界面且法向对齐；材料库温度范围是否覆盖工艺窗口；界面换热系数是否按界面类型分别赋值。以上六项全部通过，前处理才算完成，后续求解结果才具备可解释性。