铸件日益大型化、复杂化、集成化的发展趋势,对铸造技术和设计能力都提出了更高的要求,目前工业界普遍采用铸造模拟技术来辅助铸件结构及铸造工艺的优化。在铸造模拟过程中,材料物性参数的设定是一个重要的环节,它的准确程度对铸造模拟结果的影响很大。固/液糊状区是铸件凝固过程中普遍存在的特有区域,凝固过程中的潜热释放、溶质分凝、凝固收缩等均在糊状区发生,大部分的铸造缺陷也都在糊状区内产生（比如:缩松、冷隔、热裂等等）。准确的获取固/液糊状区的物性参数,对于描述热量、应力等在糊状区内的传输与积累,以及准确预测铸造缺陷都至关重要。特别是对于固/液糊状区的力学物性参数,由于其测定方法复杂,并且缺乏统一的标准与规范,如何准确的获取固/液糊状区的力学物性参数,一直是凝固研究领域的难点。针对上述工业中面临的实际问题,本研究利用相场模拟获取不同凝固阶段的糊状区微观组织形貌,以此建立糊状区的“代表性体积单元”模型并开展细观力学计算,获得不同阶段糊状区的力学物性参数;研究结果将为宏观铸造过程模拟提供准确的力学物性参数支持,优化凝固模型,提高铸造缺陷预测精度。在此基础上,结合Al-4.5wt%Cu合金对本研究所建模型与研究结果进行应用及试验验证。本研究的重点是提出了一种综合方法以实现铝合金铸造从微观组织模拟到宏观铸造缺陷预测的多尺度分析和应用。相关研究结论如下:根据相场法原理基于自由能泛函导出糊状区相场控制方程和溶质扩散方程,并建立差分法求解Al-Cu合金相场模型的流程。分析糊状区凝固过程中微观组织演变的影响因素,确定相场模拟的详细参数设置。针对Al-4.5wt%Cu合金相场模拟得到了其糊状区微观组织演变过程,并对模拟结果进行图像处理与几何模型重构,为开展细观力学计算,预测糊状区凝固力学特征参数提供精确的模型准备。结合相场模拟与流体力学计算（CFD）预测凝固糊状区的渗透性。该方法在考虑糊状区微观组织形貌的同时只进行糊状区内液相区模型的网格计算,节省了大量计算成本。通过CFD计算结果获得不同固相分数糊状区内液相压力分布云图,并根据达西定律得到糊状区的渗透率K。结果表明固相分数fs从0.3增加到0.9时,糊状区渗透率从10-9.8降低到10-12.5 m2;建立糊状区渗透率K以及固-液界面比表面积Sv与固相分数的关系,并对常被认为是不变常数的Carman-Kozeny系数Kc值进行预测,发现在较低固相分数下（fs＜0.7）,Kc值约等于4.5,但是随着固相分数的增加（fs＞0.8）,Kc值增加到5以及更高的数值,通过建立Kc值与固相分数的关系,为Carman-Kozeny公式的使用提供更准确的参数支持。结合相场模拟与流固耦合分析预测凝固糊状区的本构行为,通过这种综合方法得到了糊状区应力应变曲线并拟合出糊状区流变特征参数。基于相场模拟和模型重构得到糊状区“代表性体积单元”模型,采用耦合欧拉-拉格朗日方法（CEL）求解糊状区变形过程中的固相枝晶变形和枝晶间液相流动;该方法在考虑糊状区微观组织形貌的同时可以分别赋予固、液两相的材料物性参数,相较于忽略液相作用或赋予其完全塑性特征的方法更加准确。使用所提出的方法对Al-4.5 wt%Cu合金的预测结果与试验结果吻合较好,表明该方法对于预测铝合金糊状区的本构行为是可靠的。将本研究得到的糊状区渗透性和本构关系数据进行铝合金铸造过程模拟应用,优化凝固模型,并通过开展铸造热应力分析对热裂缺陷进行预测。在研究人员常用的弹-塑性（E-P）模型中引入流变特性项,构建弹-粘塑性（E-VP）模型作为糊状区材料本构模型,分析得到了比E-P模型更准确的热裂预测结果;分析结果表明构建的E-VP模型与凝固糊状区的变形机理一致。此外,应用本研究得到的修正的渗透性数据也比默认为常数的渗透性模型的缺陷预测结果显示出更高的准确性;本研究将糊状区细观力学计算结果应用到铸件的缺陷预测当中,实现了微观相场计算与宏观铸造模拟之间的桥接,为合金铸造过程研究的多尺度分析与调控提供了方法与参考。开展约束杆铸造试验（CRC）对糊状区力学特性研究结果在铸造过程模拟中的应用进行验证分析,并根据铸造试验结果建立了糊状区变形和热裂扩展机制。该机制表明,热裂扩展包括三个阶段:在初始阶段发生糊状区流变变形;随着凝固的进行在热裂界面处出现固体桥接结构;最后阶段热裂扩展以弹塑性变形终止。在热裂扩展的初始阶段,生长的枝晶在热应力作用下发生流变变形,流变组织的长度和面积随着初始铸造温度的升高而增加,这是热裂严重程度随着铸造温度的升高而降低的原因之一。约束杆铸造试验的结果表明,本文构建的糊状区E-VP本构模型对于热裂预测是可靠的;此外,热裂断口的显微组织形貌证明,E-VP本构模型与糊状区变形和热裂扩展机制是一致的。