漫谈基于有限体积法铸造模拟仿真技术

近几十年计算机科学和数值计算方法的飞速发展为计算机仿真技术的发展提供了广阔的前景，科研人员将计算机发展技术应用到材料科学领域，铸造工艺过程仿真技术便是其中一种应用。铸造工艺过程仿真技术成为改造传统铸造产业的必由之路。

目前，世界上主流的铸造工艺仿真计算算法主要有有限体积法、有限差分法和有限元法等。NovaCast软件采用的是先进的有限体积算法，在欧美市场占据有了大量的用户群体数量。有限体积算法的代表是NovaCast软件，相比其他两种计算算法，NovaCast软件在网格处理、计算速度和计算精度方面都有非常明显的优势。

1、网格处理

NovaCast软件率先将有限体积网格处理方法（CVM）应用于铸造工艺仿真，并使用体积分数准确描述几何形状。而传统有限差分法是基于六面体网格，模型表面是不均匀的，几何描述精度不如有限体积法。NovaCast软件结合了有限差分法和有限体积法等两者的优势。NovaCast软件使得网格处理更加简单、高效，离散化后的模型边界非常光顺，同时保持着非常高的计算精度。

有限体积法描述三维模型边界和铸件截面尺寸精度非常高，因此能够获得更加精准的计算精度，使得模拟结果更加接近真实情况。同等计算精度的情况下，有限体积法所需网格数量更加少，所以有限体积法计算速度更快。相比其他两种算法，有限体积法计算精度更高，可以达到95%及以上。

有限体积法和有限差分法网格处理技术对比如图1所示：

有限体积法（网格尺寸10mm）

有限差分法（网格尺寸10mm）

  有限差分法（网格尺寸3.6mm）

图1 网格处理技术对比

2、计算速度

同等计算精度的情况下，有限体积法相比其他两种算法所需网格数量更加少，所以有限体积法计算速度更快。对比计算速度，有限体积法比有限差分法快10倍及以上。有限体积法和有限差分法计算速度对比如图2所示：

图2 计算速度对比

3、计算精度

 对比有限差分法和有限体积法两者的计算精度，两种计算算法凝固过程模拟结果几乎一样。液相分数20%至10%时，结果有微小的差异，这是因为两个软件所采用的网格算法不一样而导致。

凝固时间 320 秒 (图片从左到右液相体积分数分别为：70%, 50%, 30%, 20%, 10%,0.5%)；

图3 液相分数分布对比 (A)有限差分法 (B) NovaCast

对比两种算法的凝固缺陷预测，两种算法均显示铸件中没有缩孔缺陷。有限差分法和有限体积法凝固结果对比如下图4所示：

（上图为有限差分法，下图为NovaCast）

图4 缩孔缺陷

来源：安世亚太