随着航空航天、汽车、高铁等领域高端装备性能要求的不断提高,其铸件正逐渐向复杂化和薄壁化方向发展,导致其内腔结构复杂度不断提高。例如,汽车发动机缸盖铸件存在着油道、水道、气道等复杂内腔结构,需要组合多个曲面复杂砂芯铸造成形。采用高压推射成形的射砂制芯技术是目前砂芯主要成形工艺,芯砂颗粒常覆有粘结剂,在高压气体中流动性差,是一个非常复杂的气固两相流系统,工艺设计难度大。特别是随着砂芯结构的复杂度不断提高,目前“试错法”无法或难以进行复杂砂芯的工艺设计。为此,本文提出了一种用于射砂制芯过程的气固两相流数学模型,开发了一套射砂过程工艺参数仿真系统,实现了复杂砂芯射砂过程的模拟及工艺优化,为射砂成形工艺设计提供了一种数字化解决方案,具有重要实际意义,主要工作如下。（1）建立了基于EMMS理论的非均匀结构气固两相曳力修正方程,采用基于KTGF理论的双流体模型,实现了耦合宏观尺度与颗粒尺度的射砂过程高精度模拟。将射砂过程气固两相作用区域分解为稀相区、密相区以及中间作用相区,基于输运能耗最低假设,结合芯砂物性参数（密度等）与工艺条件（射砂速度等）拟合获得了射砂过程非均匀结构曳力修正系数。通过与其他模型进行对比,证明了该曳力模型可以实现颗粒流动结构的精准预测。设计了一套基于高速摄像采集系统的可视化模具,验证了本研究中提出的理论模型的合理性,通过与离散元耦合模型对比,证明了该理论模型的高精确度。（2）建立了颗粒碰撞过程能量损失模型,提出了一种利用湿颗粒弹性恢复系数定量表征颗粒流动过程能量损失的方法,获得了与树脂粘度、厚度、密度以及颗粒直径等因素相关的湿颗粒弹性恢复系数拟合函数,实现了树脂砂弹性恢复系数的定量预测,解决了目前射砂模拟过程中无法准确表达树脂加入量等工艺参数的难题。干颗粒表面粗糙程度直接影响碰撞过程的能量损失,颗粒尺寸越小越接近弹性碰撞,湿颗粒表面粘性液体膜越厚,粘性液体粘度越大,碰撞过程能量损失越多,弹性恢复系数越小。以呋喃树脂为例,研究了不同树脂加入量下的颗粒流动规律,结果表明粘结剂含量越低,颗粒流动性越好,充填速度越快,型腔内颗粒密度分布越均匀,射砂终了砂芯平均紧实度越低;粘结剂含量越大,颗粒流动性越差,型腔内壁面与中心的颗粒密度分布差距越大,砂芯平均紧实度越高。（3）获得了两种树脂砂的树脂最优加入量范围与配比,通过抗压强度实验与SEM电镜断口分析,研究了树脂对砂芯强度的影响。呋喃树脂砂容易发生内聚断裂,树脂砂强度主要受到粘结桥内微观气孔影响,其树脂最优加入量为1.25%～1.75%。酚脲烷树脂砂的强度主要受到树脂加入量及组分配比的影响,组分II的主要作用是促进组分I的交联反应,其最优树脂加入量为1.6%-2.0%,两组分最优配比为50:50。（4）分析了射砂工艺参数对射砂过程的影响。利用本研究中提出的射砂过程两相流模型分别研究了射砂压力、排气塞位置及尺寸、射砂孔尺寸等对射砂过程的影响。射砂压力越大射砂筒内无效区域越小,填充速度越快,同时会使填充过程波动更为剧烈。排气塞应布置在颗粒流动路线上,排气面积为射砂孔面积的50%～60%时,可以保证最佳的排气效果。射砂孔尺寸对芯砂流量有着很大的影响,芯砂流量Q与射砂孔直径D2.2呈正比关系,射砂孔尺寸同时影响着颗粒流动的波动性,射砂孔越大,颗粒流动的波动性越小,充型过程越平稳。（5）验证了本研究提出的射砂过程颗粒流动模拟仿真系统的实用性和可靠性。以曲臂砂芯和汽车后桥壳砂芯的工艺模拟仿真及优化为例,对实际砂芯的射砂工艺进行了研究,实现了实际砂芯的射砂工艺优化。曲臂砂芯的缺陷主要原因是射砂孔的提前堵塞使颗粒无法顺利进入型腔,通过改进颗粒流动速度,实现砂芯顺序填充,可以有效避免射不足缺陷的发生;后桥壳砂芯的缺陷主要原因为颗粒输运通道提前堵塞导致残余气相无法顺利排出,以及砂芯结构引起充填过程颗粒的不平稳流动引起的卷流,通过增加部分射砂孔尺寸,减小射砂压力的方法,使大型砂芯的填充过程更为平稳,可以有效避免颗粒输运通道的提前堵塞以及卷流缺陷,通过对射砂工艺的优化,获得了消除缺陷的高质量砂芯。