数值模拟技术已被广泛用于塑料注射成形模具结构和成形工艺的优化过程,对提高产品质量、缩短开发周期、降低开发成本起到了重要作用。随着塑料注射成形制品日趋多样化、复杂化和精密化,传统基于Hele-Shaw模型的数值模拟技术由于采用了一定的简化,已经越来越不能满足实际应用对模拟精度的要求,采用较少简化的三维模拟技术已经逐渐成为主流的选择和必然的趋势。非结构网格有限体积法具有局部满足守恒规律、几何适应性好和计算效率高等优点,在塑料注射成形三维充填模拟中得到了广泛采用。但现有基于非结构网格有限体积法的三维充填模拟方法仍然存在一些健壮性和效率方面的问题和不足,主要体现在:(1)低质量网格下的计算稳定性较差;(2)处理气液界面黏度突变时存在速度场非物理振荡问题;(3)使用VOF方法捕捉气液界面存在熔体质量损失问题;(4)用于求解耦合控制方程组的SIMPLE算法收敛速率慢、稳定性差。这些问题和不足在工程应用中更加突出。针对当前基于非结构网格有限体积法的三维充填模拟方法存在的问题和不足,本文分别在控制方程离散格式、气液界面预测方法和耦合控制方程组求解算法方面提出了一系列的改进措施,提高了三维充填模拟的健壮性和效率。本文的研究工作主要包括以下几个方面。首先建立了塑料注射成形充填过程的数学模型。基于单流体两相流模型以及不可压缩、广义牛顿流体假设,建立了充填流动过程的三维控制方程。在边界条件方面,通过在型腔壁面实施一种动态出口边界条件,解决了充填过程空气从型腔排出的问题。针对控制方程的离散,建立了基于非结构网格有限体积法的稳定离散模型。为了提高低质量网格下的计算稳定性,采用超松弛格式处理单元界面法向梯度的离散,并使用Green-Gauss顶点基法计算变量在单元中心的梯度。为了解决气液界面黏度突变引起的速度场非物理振荡问题,分析了传统单元界面体积通量计算格式存在的问题,在此基础上通过使用一种不同的单元界面压力梯度插值方法提出了一种改进的单元界面体积通量计算格式。针对充填过程气液界面的预测,建立了基于代数型VOF方法的准确、高效气液界面捕捉方法。体积分数对流方程采用CICSAM方法离散,以保持体积分数的有界性和界面的锐利特征。为了解决在VOF框架下进行充填模拟存在的熔体质量损失问题,提出了一种在气液界面进行熔体质量补偿并考虑界面推进速度的高效熔体质量补偿方法。针对离散化控制方程的求解,建立了基于速度-压力全耦合算法和并行计算技术的高效求解方法。考虑到充填流动控制方程中速度和压力具有强耦合关系,并提出采用速度-压力全耦合算法求解耦合的充填流动控制方程,以提高求解的收敛速率和稳定性。为进一步提高充填模拟的计算效率,还建立了基于单程序多数据流(SPMD)的并行计算模型。最后,通过一系列案例在准确性、稳定性和效率方面对本文提出的数值模拟方法进行了验证与分析。在准确性方面,对比显示本文方法的模拟结果在流场计算、界面预测方面与解析解、实验结果都吻合良好。测试结果也表明本文提出的熔体质量补偿方法可保证熔体质量在充填过程中严格守恒。在稳定性方面,测试结果表明本文采用的离散格式能显著提高低质量网格下的计算稳定性,所提出的单元界面体积通量计算格式也可以有效解决气液界面黏度突变引起的速度场非物理振荡问题。在计算效率方面,不同网格规模的案例结果表明本文采用的速度-压力全耦合算法的收敛速率显著快于传统的SIMPLE算法(提高1.4倍以上),其总计算时间也明显少于SIMPLE算法(减少32%以上)。此外,并行计算性能测试结果也表明本文采用的并行计算模型具有良好的并行效率,在使用8个计算核心时加速比可达到5以上。