夹渣是铸造生产过程中最常见的缺陷之一,由于高温金属液在空气中的氧化反应以及浇铸过程中外来夹渣物的卷入,从而很难获得完全不含有夹渣缺陷的铸件。由于夹渣物缩减了金属基体的有效作用面积破坏了金属基体的连续性,从而降低了铸件材料的力学性能,在高周循环载荷的作用下容易在夹渣物位置处萌生微裂纹,并最终发展成为宏观裂纹而致使整个零件失效,这严重影响了铸件的服役性能和疲劳寿命,同时这些夹渣缺陷包含在铸件的内部,一般的方法较难准确的发现和计量它们的位置及数量,这也增加了对夹渣缺陷防治的难度。本文正是基于对铸件浇铸过程中夹渣粒子的轨迹及位置分析,并预测铸件的服役性能和疲劳寿命。浇铸过程中夹渣粒子的全运动轨迹分析是预测夹渣出现位置的前提,本文基于DPM分散粒子模型、金属液浇铸过程中的湍流流动模型及型内传热凝固模型,建立了夹渣粒子运动行为的数学模型。详细的研究了浇注系统结构、浇注时间、浇注温度等浇铸因素对夹渣运动轨迹及停留位置的影响,并采用夹渣数据信息提取技术和有限元网格映射技术,获取了夹渣缺陷的信息并建立了含夹渣缺陷的非均质材料铸件模型,在此基础上研究了夹渣缺陷对铸件的服役性能及疲劳寿命的影响规律。本研究对铸件结构设计及浇铸工艺参数优化有着重要的作用。本文的主要的研究内容及成果如下：(1)基于分散粒子运动模型,建立了浇铸过程中夹渣粒子运动行为的数学模型,并进行了铸件浇铸及凝固全过程中渣粒运动轨迹跟踪,为铸造夹渣缺陷数值模拟研究提供了研究基础。(2)进行不同工艺条件下的夹渣浇铸实验,分析了在不同位置的夹渣的分布形态及规律,实验结果表明夹渣位置及分布特征与模拟结果有较高的相似度,证明了夹渣预测模型的可靠性。(3)研究了浇铸工艺对铸件夹渣缺陷的影响,针对浇注系统结构、浇注时间、浇注温度3个因素进行了多水平正交分析,得出对夹渣粒子运动轨迹影响大小排序为浇注系统>充型时间>浇注温度,并得到了降低铸件夹渣率的最优组合参数,为合理的设计浇铸工艺方案最大程度的减少停留在铸件中的渣粒数量提供了参考。(4)基于渣粒数据提取技术和有限元网格映射技术建立了非均质材料模型,采用VB6.0编写了夹渣信息提取映射程序,基于目前常用的非连续性缺陷力学模型建立了含夹渣缺陷的非均质材料模型。为对含夹渣缺陷铸件的服役性能分析提供了桥梁。(5)研究了夹渣缺陷对铸件服役性能的影响,通过对含夹渣缺陷的螺旋桨铸件进行服役性能分析,结果表明夹渣缺陷导致应力集中增大了螺旋桨受力后的最大应力值,使得螺旋桨疲劳寿命值下降显著。对于准确预测含夹渣缺陷铸件的服役性能具有重要意义。