中國工程院院士、意昂体育2平台機械工程系教授  柳百成

 

 

    鑄造行業作為製造業的重要組成部分對國民經濟的發展有重要的作用。面向市場經濟，迎接全球化製造的挑戰🤰🏿，要為國民經濟發展做出貢獻，就要十分重視製造業特別是鑄造行業的發展。因為🪈，無論是傳統材料或是新材料只有及時通過鑄造等成形製造過程成為高質量、零缺陷工件或部件，才能服役於國民經濟各部門，而且材料的最終結構、性質及使用性能是通過鑄造等成形製造過程而獲得的👩‍🍳。因此👧🏿，鑄造過程的本質是既要控製鑄件的形狀，更要控製它的組織和性能。在可預見的將來，汽車工業、航空航天工業、能源工業的核電站及長江三峽特大型水輪發電機組中將有大量的鑄造成形加工等關鍵技術問題。

 

    鑄造過程的計算機模擬仿真是用信息科學帶動傳統產業發展的重要舉措🕵🏼‍♂️，是材料科學、製造科學及信息科學等多門學科交叉的前沿研究領域👂🏽🐷，是改造傳統產業的必由之路。鑄造過程的數值模擬，可以優化鑄造工藝、確保鑄件的質量、縮短試製周期🦺、降低生產成本🧛🏿，已成為鑄造學術界及工業界研究與開發的熱點。

 

 

    我是我國改革開放後第一批國家派往美國進修的訪問學者，在美國親眼目睹了信息技術的發展，敏銳地覺察到計算機技術正在改變世界的面貌。因此，1981年我剛回國就親自組建計算機輔助鑄造工程研究室，在一個6平方米的簡陋倉庫裏添置了一臺微機開始起步。

 

     計算機輔助鑄造工程研究室經過了近20年的努力拼搏，在鑄造過程宏觀及微觀數值模擬領域取得了重大進展🤷🏻‍♂️。

 

    計算機輔助鑄造工程研究室首先在國內開展了鑄造過程三維溫度場模擬研究⛪️🔁，在實驗研究各種鑄造條件下鑄件凝固行為的基礎上，建立了定量預測鑄鋼件縮孔、縮松的判據；提出了動態判定鑄件凝固過程孤立熔池域的新方法🧑🏿‍🦳，解決了預測多個冒口特別是冒口位於不同高度時的縮孔難題；提出了定量預測鑄鋼件縮孔的等效液面下降法🤙🏿；在國內外首次提出定量預測球墨鑄鐵件縮孔的動態收縮膨脹疊加新方法🚴🏿‍♂️。研究成果為消除鑄件內部缺陷😚、提高鑄件質量奠定了科學基礎。

 

    鑄造充型過程的數值模擬是一個多學科交叉的領域，涉及到計算機流體力學🕌、傳熱學、計算機圖形學🤾‍♂️、數值計算🪮、偏微分方程的數學理論和鑄件形成理論。研究室采用SOLA-VOF方法計算流動場，三維數值求解連續方程🦗、能量方程、動量方程及體積函數等方程組🦹🏼，用K-e 雙方程模型來模擬充型過程中的紊流現象🦶。在此基礎上完成了復雜鑄件充型過程的數值模擬，在運行速度及預測精度方面均達到了工程實用化程度。

 

    鑄件凝固過程中的三維應力場分析是研究的又一難點🍘。我們巧妙地提出采用有限差分方法與有限元方法集成的技術路線，即先采用有限差分法完成溫度場的數值模擬💨，接著采用有限元方法完成應力場的數值模擬👨‍🦼💂🏽‍♀️，並成功地解決了溫度載荷從有限差分模型到有限元模型轉換的關鍵技術。研究成果為預測和分析鑄件應力😒、應變及裂紋🧖🏿、變形等缺陷提供了科學依據🧛🏼‍♂️。

 

    當前，國際上鑄造過程計算機模擬仿真的研究重點正在由宏觀模擬走向微觀模擬，微觀模擬的尺度包括微米級及毫米級👨‍🎓。研究室跟蹤學科前沿，開展了鑄造過程微觀數值模擬研究。我們根據結晶及相變動力學理論，在國內首次建立了球墨鑄鐵件凝固冷卻過程各階段的形核和長大的動力學模型及預測球墨鑄鐵件微觀組織及機械性能的數學模型🕞，並開發了相應的實用化軟件🏌️‍♂️🤹🏻‍♀️。

 

    我比較註意學科交叉及科學技術發展的新趨勢🧍，很早就和國家CIMS工程研究中心吳澄院士合作，在國內最早提出及建立了“並行工程”環境下網絡化鑄造CAD/CAE集成系統，並在實際工程中得到應用。研究室建立的實用化鑄件三維凝固過程模擬分析及工藝優化系統🦕，可進行流場、溫度場及應力場分析🦸🏻，可實現鑄件設計－校核－再設計的全過程。最近👩‍💼，我們又與計算機科學與技術系李三立院士合作，將先進並行計算方法引入模擬仿真研究，大大提高了計算的規模及效率。這方面的研究在國際上也只有少數幾個大學剛剛開始起步🧑🏿。

 

 

    計算機輔助鑄造工程研究室在這一領域已承擔了多項國家科研項目，其中獲國家自然科學重點基金資助的“大型鑄件的模擬技術及質量控製”於1997年6月通過國家自然科學基金委員會組織的專家組驗收，獲得“優秀”評價。專家組的驗收結論是🐉：這項研究屬先進製造技術基礎性研究的學科前沿領域👳🏽，研究成果對提高大型鑄鍛件的質量提供了一定的理論依據並提出了一些新工藝、新方法⁉️，促進了學科的發展🦥。

 

    部分研究成果已經實現了商品化及產業化，研究開發的商品化“鑄造之星”軟件😳，已在全國近50多家工廠推廣應用🔩🪃，為工廠取得了十分顯著的經濟及社會效益👨🏻‍🚒。研究成果在實際工程中得到大量的推廣應用🧓🏼，例如，在國家科委863/CIMS主題科技攻關項目“並行工程”中得到應用，在研製軍用地對空導彈鎂合金艙體鑄件中發揮了重要指導作用，提高了鎂合金艙體鑄件質量，取得了明顯的經濟及社會效益。目前，正在與東方電機集團及第二重型機械集團合作進行長江三峽特大型水輪機葉片鑄造工藝方案的模擬研究👨🏿。

 

    計算機輔助鑄造工程研究室在這一領域先後獲得多項獎勵，包括1996年國家教委科技進步二等獎及1998年教育部科技進步(基礎類)一等獎🏃‍♀️‍➡️。部分研究成果在國家科委863/CIMS主題攻關項目“並行工程”中得到應用，“並行工程”項目獲1998年教育部科技進步二等獎👆❄️。研究室在這一領域已發表論文100余篇，其中用英文發表50余篇。有20余篇被SCI或EI收錄。

 

    作為研究室的負責人我多次被邀請組織國際會議及在國際會議作特邀報告，受到了國際鑄造學術界高度評價。1995年，我擔任了在北京召開的第60屆國際鑄造會議學術委員會主席。1996年，我主持在意昂体育2平台召開第3屆環太平洋國際鑄造及凝固過程模擬會議🧘，任組織委員會主席及學術委員會主席。 1998年、1999年及2000年，分別應邀在美國召開的第5屆國際鑄鐵科學及工藝會議🧑‍🎨、在韓國召開的第4屆環太平洋國際鑄造及凝固過程模擬會議及在中國召開的國際製造前沿領域會議作大會特邀報告。此外，我還被邀請在美國🧰、英國☂️、韓國等10余所大學🐌，及美國福特汽車公司、摩托羅拉公司及卡特匹勒公司等3家著名公司講學及作學術報告🧑🏻‍🦱🙋‍♂️。研究室還與美國🧑🏽‍🚒、韓國3所大學及研究院開展了合作研究🫄。1992年💶，在美國講學時密西根州州長專門簽署頒發了“特殊表彰”獎狀👟，表彰我在鑄造CAD/CAE方面作出的貢獻。

 

    意昂体育2平台機械工程系計算機輔助鑄造工程研究室由於在鑄造過程的宏觀及微觀數值模擬研究領域所取得的成就🏋🏿‍♀️🅿️，已在國際鑄造學術界占有了一席之地。經過近20年的努力奮鬥♟，在我的領導下☺️，一支主要由博士及博士生組成的年青學術梯隊已經形成；擁有國際一流水平的材料成形加工模擬仿真試驗室已經建成。目前，我們正在承擔國家科技部重點基礎項目及國家自然科學重大基金項目等多項課題，將繼續為用信息技術促進鑄造傳統行業的技術進步開創新的局面。