闯出铸造产业的新路

铸造,一个有着悠久历史的专业.然而,随着以计算机为代表的高新技术的迅猛发展,铸造等传统产业受到了很大的冲击,产业发展缓慢,效益下降、从业人员减少等诸多困难接踵而至.当此之际,柳百成院士在国内较早地提出了用高新技术提升传统产业,从而促进传统产业发展的思想,为铸造产业的新发展做出了杰出的贡献.

让铸造产业走出传统大门

第一次见识到计算机,是1979年初,柳百成刚到美国进修.看到计算机工程领域有着如此广泛的应用,柳百成深感震惊,“我意识到计算机正在改变人类社会,但是能不能把它应用到传统的铸造学科上呢”这个念头电光火石般在他心头闪过.为此,他下定决心要掌握这门新技术,年过四旬的他,为了学习计算机语言,与美国大学生一起上课、上机、编程,即使节检测日,也常常提一包食物一杯饮料在计算机中心一呆就是一天.

日复一日的努力终于令他在计算机领域有了长足进步.柳百成的预见没有错,当他两年后打点行囊准备回国时,国际上就开始兴起铸件凝固过程计算机模拟仿真研究的热潮.回国后,他立即带领博士生和硕士生开辟了铸造凝固过程宏观及微观模拟仿真研究新领域,在国内较早提出用电子计算机提升传统铸造行业技术水平的新思路,为开拓铸造过程多学科宏观及微观模拟仿真新领域做出了重要贡献.十余年的努力之后,他所领导的课题组在国际铸造学术界已经占有了一席之地,他也多次主持召开国际会议,并应邀在大会作特邀报告.

他指导一批博士、硕士研究生研究开发完成的“商品化三维铸造工艺CAD及凝固过程模拟分析系统”,1993年被国家科委批准为“国家级科技成果重点推广计划”项目,并列为863／CIMS主体商品化软件.这项成果在很多单位推广应用,达到优化铸造工艺、确保铸件质量、缩短试制周期及降低生产成本的目的,取得了显著的经济及社会效益,获1996年国家教委科技进步二等奖.柳院士介绍道,“当年,我们应用该成果对某型号导弹大型铝合金发射架铸件进行了试制,近年来,在马鞍山钢铁公司试制重218吨大型轧钢机机架铸钢件中也以此对工艺方案做了优化,都做到了一次试制成功.”

牛刀初试后,他又获国家自然科学重点基金的资助,指导一批博士研究生完成“大型铸件充型凝固过程的数值模拟研究”.建立了动态收缩膨胀叠加新方法及数学模型,用来定量预测球墨铸铁件的缩孔缺陷,建立了球墨铸铁件微观组织及性能预测数学模型并开发了相应软件在国内最早采用有限差分／有限元集成技术分析铸件残余应力.该项目获1999年国家教育部科技进步(基础类)一等奖.

接着,他又带领一批博士生完成国家科委863／cIMS技术攻关项目“并行工程”的子课题“并行工程环境下铸造CAD／CAE”研究,提出并成功地在并行工程环境下集成铸造CAD／CAE系统,在设计及研制某型号导弹镁合金舱体铸件中发挥了重要的指导作用,提高了舱体铸件质量.该项目获1999年国家教育部科技进步二等奖.

在推动铸造凝固过程的数值模拟技术发展的同时,柳百成也十分注重科研成果在工程应用上的转化和实践.他研究开发完成的国内第一个在WINDOWS操作系统下运行的三维铸造过程模拟商品化软件,并为其命名为“铸造之星”.如今,该系列软件已先后在国内德阳东方电机股份有限公司、福建三明重型机器有限公司铸钢厂、东方汽轮机厂、中国二重集团公司、鞍山钢铁公司重型机械公司、马鞍山钢铁公司重型机械公司等60余家工矿企业中应用,取得的直接经济效益达数千万元,社会效益更是显著.在此基础上完成的“砂型铸造过程数值模拟研究开发与工程应用”也荣获2002年北京市科技进步二等奖.

应用该软件,柳百成与第二重型机械集团合作,负责长江三峡水轮机叶片铸造工艺方案的流场、温度场及应力场的模拟仿真及优化分析.2000年,长江三峡水轮机叶片在二重集团铸造厂一次浇铸成功.在由国务院三峡办、中国机械工业联合会等单位共同主持召开的鉴定会上,专家组一致认为“该叶片技术资料齐全,采用了计算机优化等先进技术,符合有关标准要求,达到国际同行业先进水平”.为此,新华社也专门进行了报道,指出,“这一成果表明中国民族工业已经打破了国外公司垄断该种叶片制造核心技术的格局”.

2002年,马鞍山钢铁公司在没有生产特大型铸钢件经验的条件下,采用“铸造之星”软件优化工艺,一次试制成功重218吨大型轧钢机机架铸钢件.

随着在实践中的不断探索,对于铸造过程中的多尺度、多学科、高精度、高效率建模与仿真,柳百成有了更深入的认识.随后的几年,他先后主持国家自然科学重大、重点基金项目及国家重点基础研究项目(“973”项目)中有关“先进成形制造过程多尺度数字仿真与优化”课题研究.近年来,在用相场法和元胞自动机法研究铝,镁合金及高温合金凝固过程二维及三维微观组织演变,及在铝、镁合金压力铸造及高温合金定向凝固熔模铸造等精确铸造成形过程的建模与仿真等方面,又取得了重要的进展.

提高铸铁性能,促进铸造产业发展

在柳百成的科研生涯中,“深入研究铸铁结晶凝固过程及石墨形态控制机理,为提高铸铁性能及开发新型铸铁材料奠定科学基础”有着不容小觑的地位.

“还是在1976年,清华大学首次引进了新的扫描电子显微镜,当时我就敏锐地意识到它可能为材料学科的研究带来新的突破.”柳百成如是说.1978年,到美国做访问学者的他,一下子见到扫描俄歇谱仪、电子显微探针等新的材料分析仪器,真的是如鱼得水.经过刻苦、细致地学习,对这些新型仪器的操作,柳百成已是信手拈来,这也为他在采用先进材料分析仪器探索铁结晶凝固机理领域,取得了一批创新成果.

回国后,与李春立教授等合作,在国内率先采用扫描电镜、电子探针、俄歇谱仪等先进测试及实验手段研究铸铁结晶凝固过程.揭示了铸铁中各种石墨形态的结构、生长特征及其内在联系,研究了合金元素及微量元素在铸铁中的分布及其在凝固时的行为.相关成果不仅获1982年机械工业部二等奖及1981年美国铸造学会优秀论文奖,其有关论文还在著名的美国铸造学会会刊上连续发表9篇,其中4篇全文、8篇摘 要被译成德文