铸造生产具有较强的适应性和较低的成本,使得铸件广泛应用在各行各业之中。由浇注系统与冒口构成的浇冒系统在铸造生产中起着调控熔体流动状态、调节铸型温度分布、排气与补缩等作用。合理的浇冒系统设计是高质量铸件的重要保证,据统计由于浇冒系统设计不合理所导致的废品约占了总废品的30%。受限于没有数学公式可以准确描述整个铸造过程,浇冒系统的设计与优化严重依赖于设计经验,使得铸造生产需要试制大量铸件来验证与优化浇冒系统设计而耗费大量成本。随着用于铸造过程的数值模拟技术快速发展与广泛应用,浇冒系统设计优化摆脱了昂贵的迭代试制过程并转变为概念验证。概念验证法的本质是将昂贵的迭代实验试制转移至高性能计算机中,使得设计人员可以快速地判断当前方案的合理性并基于模拟结果提出优化方案,而在该过程中设计经验所占权重并未降低。因此数值模拟技术的应用只能降低铸造工艺的研发周期与成本,但难以从根本上降低浇冒系统设计对经验的依赖。针对该问题,本文以铝合金横梁铸件为研究对象,将数值模拟技术与进化算法相结合提出了一种浇冒系统设计优化路径,在实现了浇冒系统设计快速优化的同时降低了经验权重,并在实际生产中得到验证。本文的主要研究内容包括:1.分析横梁铸件的结构特点并结合设计准则设计了三套浇注方案;利用数值模拟软件Pro CAST模拟了三套浇注方案的浇注过程,并基于对温度场、速度场与缺陷分布并确定了初始方案。2.利用概念验证法优化初始方案,基于模拟结果将内浇口半径由3.57mm增大至5mm,改善了型腔中的金属液流动状态;随后基于设计准则设计了冒口与冷铁,重构了铸型中的温度场,使铸件的凝固方式由自顶而下转变为自底而上,最终在铸件中只留下两处零星缺陷;优化方案的工艺出品率为72.6%,优化过程需进行3次模拟,约耗时21h。3.基于进化算法优化浇冒系统设计,以浇冒系统的关键几何尺寸为决策变量分别建立了浇注系统设计与冒口设计的数学模型;利用带精英策略的非支配排序遗传算法NSGAⅡ求解浇注系统设计模型并获得了浇注系统优化方案。数值模拟分析结果表明浇注系统经优化后可将金属液前沿最高流速由0.44m/s降低至0.35m/s;采用遗传算法GA求解冒口设计模型并获得了最终方案,数值模拟分析结果表明优化后的冒口设计可以将铸件内的缺陷“拔出”,并最终只留下两处零星缺陷;优化过程基本摆脱了对设计经验的依赖,优化方案的工艺出品率为78.5%,整个优化过程需进行两次模拟,耗时约14h。4.按照基于进化算法优化的方案生产了实际横梁铸件,铸件轮廓清晰,其致密度为98.6%,x射线探伤结果表明铸件内部无明显缺陷,拉伸强度为200.8MPa,断后延伸率为2.38%,符合GB/T 1173-2013验收标准。