1 前言
商品化铸造模拟软件的出现，使铸造生产由半经验半理论走上了理论化、定量化、可控化的发展道路，使铸造工作者看到了潜藏着的巨大的经济效益。他们的眼睛为之一亮，对铸造模拟软件产生了巨大的热情，对其寄予厚望。但随着模拟软件在实际中的应用，它却没有给铸造业带来预期的效果，因为它没有给生产带来飞跃性的进步，于是人们对它的热情锐减，许多人对铸造模拟软件的作用产生了怀疑甚至否定。那么铸造模拟软件在业界的应用状况如何呢？发生这些状况的原因是什么呢？本文拟对此进行讨论，并提出解决的对策和方法。
2 目前铸造模拟软件在中国铸造企业的应用现状及原因分析
根据对当前铸造数值模拟软件在中国铸造企业的应用情况的调查和分析，据不完全统计，目前国内各类铸造模拟软件用户超过300家，包括Procast、Magma、Flow3D、Anycast、JScast、华铸CAE、清华FT-Star等等，而购买后一直使用的客户不超过200家，真正产生效益的不超过20家，列出如下几种情况，并对其深层原因做相应的分析。
第一种情况，模拟软件对铸造企业来说基本是“摆设”，很少使用，主要是做广告或对外宣传。没有给企业带来明显的经济效益。目前这种企业占了拥有模拟软件的全部铸造企业的绝大多数。
第二种情况，出口型企业，迫于其供货商的要求，必须提供相应分析报告，所有涉及出口产品都要进行模拟分析，但基本上是应付而已，分析报告技术含量不高，也无法与实际生产结合。
第三种情况，对个别复杂或疑难铸件使用，取得了一定的经济效益，但没有形成规模。目前这种企业数量极少。
第四种情况，大规模系统应用，应用内容深入广泛，为企业创造了显著的经济效益。这类企业几乎没有。
总之，当前中国铸造企业运用数值模拟软件的形势不好，处于低潮。为什么会出现这样的局面呢？
任何高新技术的推广和应用都需要有个认识和实践的过程。如果不掌握该技术的使用特点和规律，就不能合理有效地加以使用，就难以达到预期的效果。本文认为，当前应用铸造数值模拟软件出现上述局面的原因主要是：
１）数值模拟软件的应用对象定位不准确。
数值模拟软件是与三维CAD造型软件配套使用的软件。通常的铸造工程图为二维平面图，所以要使用模拟软件进行分析或辅助设计就必须首先将二维图转化为三维实体模型，这个过程需要花费一定的时间，特别当铸件比较复杂时更是如此。待形成三维实体图后，再用模拟软件进行充型凝固计算（如果单是温度场计算则很快），一般也要花费相当的时间。所以当铸造企业开发的是短平快产品时，交货期很短，则很难用数值模拟软件来帮助铸件产品工艺的开发和设计。这种由于交货期短而导致的铸造企业不愿用数值模拟软件的情况占了相当多的数量。
从另一方面说，即使是交货期短的铸件，如果当铸件形状复杂难于制作时，只考虑生产周期而不进行详细深入的分析就草率制作工艺，也很容易出现废品，反而会拉长生产周期。这时合理使用模拟软件其实会大大缩短开发周期。
还有一种情况就是，如果企业主要以定型铸件产品为主，这些产品都是可以正常生产的产品，出于惯性，企业技术人员就不愿更改工艺，其实，这些产品是具有成本挖潜的极大空间。
总之，上述情况都是由于应用数值模拟的对象发生了错位而导致的使模拟软件不能起作用的情况。
２）没有配备有能力正确使用数值模拟软件的专业人员，导致模拟软件不能充分利用，这种情况也占极大多数。
数值模拟分析是高技术分析，对使用人员有比较高的要求。使用软件的人不仅要熟知铸造工艺方面的知识，对生产现场也要非常熟悉；而且也应当对数值模拟软件的相关原理和算法有一定的认识和理解，才能正确灵活地使用软件，否则很容易因不能正确使用软件而对软件产生偏见。比如在模拟砂型铸件时，如果冷铁放在铸件顶部，则模拟时冷铁与铸件之间的界面就应当设置为非理想接触界面；若冷铁放在铸件底部，则铸件和冷铁之间的界面就可以设置为理想界面，没有气隙。但情况并不都是如此，如果金属液浇注温度很高如低碳钢金属液，则即使是顶部冷铁也有可能和铸件粘在一起，这时就不能设置为非理想接触界面，如何确定是理想接触界面还是非理想接触界面，就必须通过对现场的观察才能确定。所以模拟人员一定要熟知铸造工艺，并且要熟悉生产现场才能设置出正确的边界条件。再比如说，在应用Niyama准则数进行缩松预测时，就应当明白此准则的原理，因为该准则数中的温度梯度G是温度差和网格间距的比，如果不注意调整网格间距，一味使用给定的判据值，也不结合温度场分布进行判断，就会做出错误的判断。如果拘泥于该判据仅可用于判定缩松，而不了解该判据其实也可以作为致密度的一个判断标准，则很可能得到错误的结果。至于其他更深入细致的内容，如充型、夹杂、卷气、裂纹、应力、微观组织模拟等，更需要对计算原理和算法有相当的了解甚至研究，才能正确地使用软件进行工艺质量判断。对于充型过程产生的卷气、夹渣，只观察最后的云图是很难得到其形成位置的，必须结合之前的整个过程，通过粒子示踪、质点矢量、空气分布综合分析，可以很好知道其产生的原因。另外由于铸造材料种类繁多，虽然软件中提供了很多材料参数，但与各工厂的实际情况还是存在一定的差别，如果不做任何修正就直接使用，必然会造成计算结果与实际的偏差。如果使用者对自己使用的材料性能有很好的了解，并熟知各种成分对材料性能的影响，就可以通过几次简单试验来修正，从而得到更准确的结果。对于一些高级功能如微观组织、晶体结构，则要求更高，必须有很好的材料学、凝固理论知识才能理解各参数的意义，正确设置初始、边界条件。
所以要正确地使用数值模拟软件，对使用者的素质要求是很高的，不单纯是一个使用“傻瓜相机”的问题。当前铸造企业对数值模拟软件存在认识上的误区，认为模拟软件就是一台简单的机器，只要把要求的参数输入就应当给出正确无误的结果来，这是不正确的观念。因此，对铸造数值模拟这个高新技术就应当由高素质的人员来使用才比较合理。本文认为，对铸件数值模拟的使用人员的要求是：
——必须是铸造专业人员，熟知铸造工艺及其他相关的材料及熔炼等方面的知识，而且必须熟悉现场，了解生产细节，才能合理设置初始条件和边界条件及其他计算所需要的条件。
——对数值模拟的原理和算法有相当程度的理解和认识，甚至是从事过该方面的某一个方向的研究，才能灵活调整各种因素来正确进行铸造模拟。
但我们国家目前铸造企业中使用模拟软件的专业人员绝大多数是新毕业的本科毕业生，可以熟练地进行计算机操作，但对铸造工艺的设计经验和现场经验还很缺乏，而且大多数对数值模拟的原理不甚了解，甚至根本不懂，更谈不上对算法的了解，所以在使用模拟软件时，出了问题就无所适从，往往会把错误推到软件头上去，这是该项技术得不到有效应用的一个非常重要的原因。
而有许多有经验的老资格的铸造工艺人员也认为，凭经验就可以断定铸件的缩孔位置，根本用不着用模拟软件。这是一种狭隘经验主义的观点。对简单铸件或者是已经经过多次试验的形状相似的复杂铸件来说，人为判断是可以的，但对新开发的比较复杂的铸件来说，要想凭经验判断缩孔的位置就很困难，更不用说容易出现缩松的位置。如果还想凭人工预测判断气孔、夹杂、变形、裂纹等缺陷，就更是困难。所以要想在铸造企业推广使用数值模拟软件，更新人们头脑中的旧观念也是一项很重要的任务。
３）使用铸造数值模拟软件的部门发生了错位。
当前绝大部分铸造企业把数值模拟软件放在设计部门使用，这其实是把模拟软件放到了不正确的位置上，至少不完全正确。因为设计部门的产品一般周期比较短，工艺设计人员一般来不及对铸件进行详细的分析，所以难以充分利用软件，甚至不用。从模拟软件的使用特点来说，它更适合放在质量部门和研发部门，对企业的复杂疑难件进行事前和事后的质量分析和预测。对企业的长期定型产品可以进行质量评定和优化，以降低成本，优化铸件质量。而且也应当由专职人员开展此项工作。
4）企业认为软件价格太高而不愿购买。
应该从两个方面度来看待这个问题：一方面，软件价格确实比较高，比如最高的达到100多万，低一些也要20多万，最低也在8万左右。而在一般情况下，企业即使没有软件也可以维持其一般运转，所以造成了企业可买可不买的局面。另一方面，企业领导存在观念上的误区，认为软件只是张软盘，又不是大型设备，哪值那么多钱？其实企业应当把软件看作设备，是与造型线、砂处理设备、制芯设备、以及光谱分析仪等同等重要的设备，甚至是更重要的设备，因为数值模拟软件提供的是分析问题解决问题的方法，是“大脑”。开发软件所付出的辛勤劳动要比制作一般的铸造设备大得多。如果能有这样的认识，就不会认为软件太贵了。再有，就是当前盗版软件遍布业界，对正版软件造成了很大的冲击，这些盗版软件有些是真的盗版软件，有些则可能是商家的营销策略，但不管是什么样的盗版软件，都不能和正版软件的功能相比。并且由于这类专业软件培训资料很难找，盗版使用者只能根据软件附带帮助文件自学，很难正确使用，从而对软件的认识造成很大偏差。所以购买软件中很重要的一部分就是培训和服务，这对软件能否用好起着非常重要的作用。
3 有效运用数值模拟软件提高铸件质量的方法
通过上述分析，我们提出下面的运用数值模拟软件提高铸件质量的方法：
１） 铸造企业最高领导应当能认识到模拟软件对企业的重要作用，根据企业规模和铸件的特点及质量要求来决定购买什么样的软件，购买什么模块。如：对常规铸件来说，一般有充型计算、温度场计算、缩孔缩松预测即可。而对特种铸造中的薄壁铸铝件，则除了要具有常规铸件的模块外，还应该有应力计算、裂纹预测等功能。对离心铸造、连续铸造则有专门的模块进行模拟等等。对于生产铸铁的企业要配置专门的铸铁模块，从而准确计算石墨析出及膨胀对缩孔缩松的影响。对于消失的企业，就需要专门的消失模模块，准确计算泡沫的燃烧和气化。对于采用定向凝固的技术或生产单晶铸件的企业，则需要晶粒结构模块，从而分析形核、长大过程，控制铸件质量。
２） 企业技术主管应该组织起一套恰当运用数值模拟软件的体系。
从模拟软件的定位上来说，软件既可以作为辅助工艺设计的工具，也可以作为 铸件质量事前检验和事后分析检验的工具，而且后者的作用更大一些，所以在设计部门和质量部门都应该配备软件，或者成立专门的部门做两种服务。
在软件使用的时间安排上，对周期短的简单铸件或者是定型产品，用软件来辅助工艺设计因为时间上的原因就不能很好实现，这样的铸件可以不做数值模拟；对复杂铸件，如果周期短，就可以在安排工艺设计的同时，并行安排数值模拟，以尽早发觉潜在问题，早做补漏的准备。对周期较长而且复杂的铸件，就应该充分广泛地利用模拟软件，争取一次性成功。除上述两种生产任务外，还有一项重要的任务是，由质量部门对铸造企业的产品有系统地进行工艺评价和工艺优化，形成企业内部的标准，为铸造工艺设计人员提供质量上的参考与指导，为后续的新产品开发积累经验。因为数值模拟的经验总结出来后，后续新产品由于周期短，来不及使用数值模拟软件，但可以直接利用已有的数值计算经验进行快速工艺设计。
从使用软件的人员安排上来说，最好是培养使用专门人员，既要有实际的铸造工艺设计经验，又要对数值模拟有专业知识，最好是搞过数值模拟研究的硕士以上的高素质人才来承担此项工作，之前已经对此做了专门论述。
３） 铸造企业要注意不断积累使用铸造数值模拟软件的经验，多进行企业内部的交流，多与其他企业交流。形成适合自身需要的合金材料数据库。因为目前软件提供的材料数据是普适性的一般数据，要真正符合企业要求，需要企业根据特点进行材料数据的修正、增加，逐渐形成企业自身的内部标准材料库。
４ 结论
铸造数值模拟技术是铸造行业划时代的高新技术，必将为铸造行业创造出巨大的效益。数值模拟技术是新技术，具有自身的特点，必须根据这项新技术的特点来组织相应的应用体系，才能为铸造企业创造出显著的经济效益。
来源：铸造模拟 作者：李日
