(完整版)材料成型过程数值模拟

本课程和体系结构和内容

1．绪论2．传热学基础知识3．热传导问题的数值解法4．凝固过程的数值模拟5．焊接热过程数值模拟6．淬火过程数值模拟

TeachingMaterials/YuandongLi1第1章绪

论

一、材料成形数值模概述

广义地说，材料加工是人类利用自然，创造有用产品的一种基本的生产活动，它将贯穿于人类的全部历史。

狭义地说，材料加工，主要是指现代金属材料的加工，即采用铸造、锻压、焊接、热处理等方法将金属原材料加工成所需的形状、尺寸，并达到一定的组织性能要求，这一过程又称为材料成形。在现代制造业中，材料成形是生产各种零件或零件毛坯的主要方法。TeachingMaterials/YuandongLi2第1章绪

论

计算机模拟即是通过数值计算得到用微分方程边值问题来描述的具体材料成形问题中工件和模具的速度场(位移场)、应变场、应力场、温度场等，据此预测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷；利用计算机图形技术将这些分析结果直观地、动态地呈现在研究设计人员面前，使他们能通过这个虚拟的材料加工过程检验工件的最终形状、尺寸、性能等是否符合设计要求，正确选用机器设备和模具材料。TeachingMaterials/YuandongLi3第1章

绪

论二、热加工过程研究对象及其传热学问题1、热加工过程液态成型(铸造)固态成型(金属压力加工、锻造)连接成型(焊接)热处理

总之，将金属原材料加工成所需的形状、尺寸，并达到一定的组织性能要求，这一过程又称为材料成形。热加工的复杂性：温度高、瞬时性、动态性。

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绪

论2、传热学问题稳态与非稳态导热温度场相变潜热研究与计算铸件凝固过程焊接传热学变系数导热较复杂几何形状的物体导热高能密度加热的研究数值计算传热学数学模型仿真技术相似原理实验及数据处理数据库技术应用材料科学与工程中的传热学问题计算机的应用冷却介质方法研究对流传热在炉内传热的数学模型建立计算TeachingMaterials/YuandongLi5第1章

绪

论三、计算机在材料成型领域中的应用1、企业信息处理系统IPS

(InformationProcessingSystem)

包括市场营销、物料进出、生产组织与协调、行政管理、与外界的信息交换等。热加工领域信息处理技术研究、开发与应用处于起步阶段。它有别于管理信息系统MIS(ManagementInformationSystem)及产品数据管理PDA(ProductDataManagement)TeachingMaterials/YuandongLi6第1章绪

论企业信息处理系统CAD人事计划技术应用财务市场CAECAMCAPPCIMS部门1部门2部门3部门4部门n…………InternetIntranet企业信息处理系统TeachingMaterials/YuandongLi7第1章绪

论三、计算机在材料成型领域中的应用2、计算机辅助设计CAD和集成制造系统CIMSCAD(ComputerAidedDesign)

CAM(ComputerAidedManufacturing)CAE

(ComputerAidedEngineering)CAPP

(ComputerAidedProcessPlanning)

CIMS

(ComputerIntegratedManufacturingSystem)

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论三、计算机在材料成型领域中的应用2、计算机辅助设计CAD和集成制造系统CIMSCAD技术的发展趋势集成化以三维造型为基础的CAD/CAM/CAPP/CAE的集成是未来产品开发的主要模式。CAD+CAM+CAPP+CAE→CIMS智能化将人类智能与人工智能融为一体，实现人机一体化设计。网络化或协同化柔性化绿色化虚拟化

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论三、计算机在材料成型领域中的应用3、计算机检测与控制系统

计算机I/O接口D/A转换器输出信号放大器执行机构生产过程传感器A/D转换器输入信号放大器计算机检测与控制系统的未来：在线化集成化智能化远程化TeachingMaterials/YuandongLi10第1章绪

论三、计算机在材料成型领域中的应用3、计算机检测与控制系统

在热加工领域的应用冲天炉熔炼的计算机检测与控制。配料、风量、水量、温度金属液质量的炉前快速检测及数据处理。成分测定、温度、共晶度、孕育效果、力学性能铸件成形过程的计算机检测与控制。金属液流动性检测、铸型性能检测、造型线主辅机工作状态监控产品质量的计算机检测。铸、焊、锻件内部质量检测型砂性能及砂处理过程的计算机检测与控制。焊接过程的自动控制。压力成形过程的自动控制。

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论三、计算机在材料成型领域中的应用4、人工智能与专家系统AI(ArtificialIntelligence)应用设计类生产车间总体布局、设备选择和人员配备、原辅材料选择、最佳方案选择、实验设计、模具设计制造类设备制造、模具制造诊断预测类产品内、外部缺陷及质量分析监督类型砂质量控制、熔炼过程控制规划类制定生产计划教学类计算机辅助教学系统

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论三、计算机在材料成型领域中的应用5、计算机数值模拟(仿真)系统

数值模拟是指利用一组控制方程(代数或微分方程)来描述一个过程的基本参数变化关系，采用数值计算的方法求解，以获得该过程(或一个过程的某一方面)的定量认识，及对过程进行动态模拟分析，在此基础上判断工艺或方案的优劣、预测缺陷、优化工艺等。

材料成型(包括铸造、塑性加工、焊接、热处理)是一个涉及物理、流体、传热、冶金、力学等因素的复杂过程。TeachingMaterials/YuandongLi13第1章绪

论三、计算机在材料成型领域中的应用5、计算机数值模拟(仿真)系统计算机数值模拟在各行业中应用1）铸造：温度场模拟流动场模拟四场模拟应力场模拟溶质场模拟流动与传热耦合设计微观组织模拟M-C法、CA法、相场法TeachingMaterials/YuandongLi14第1章绪

论计算机数值模拟在各行业中应用2）焊接：焊接的热传导分析焊接熔池流体力学和传热分析电弧物理焊接冶金和焊接接头组织性能的测定焊接应力与变形焊接过程中的氢扩散特殊焊接过程的数值分析，如电阻焊、激光焊、摩擦焊焊接接头的力学行为TeachingMaterials/YuandongLi15第1章绪

论计算机数值模拟在各行业中应用3）金属塑性加工：塑性变形过程温度、应力、应变等分布规律微观组织、力学、机械及物化性能的变化4）热处理：温度场数值模拟应力场模拟组织转变相图的模拟TeachingMaterials/YuandongLi16四、材料成型过程的模拟方法

材料成形的方法种类繁多，涉及到的物理、化学和力学现象十分复杂，是一个多学科交叉、融合的研究和应用领域。例如，在液态金属成形过程中，涉及液态金属的流动，包含了相变与结晶的凝固现象。在固态金属的塑性成形中，金属在发生大塑性变形的同时，也伴随着组织性能的变化，有时也涉及到相变和再结晶现象。在金属的焊接过程中，也包含了相变与结晶和内在应力的变化。第1章绪

论TeachingMaterials/YuandongLi17第1章绪

论材料成形过程的基本规律可以用一组微分方程来描述，例如流动方程、热传导方程，平衡方程或运动方程等，这些方程在所讨论的问题中常常称为场方程或控制方程。在《材料成形原理》这本书中，对这些方程进行了详细的阐述。为了分析一个具体的材料成形问题，除了要给出具有普遍意义的场方程以外，还要给出由该问题的特点所决定的定解条件，其中包括边值条件和初值条件。这样就把材料成形问题抽象为一个微分方程(组)的边值问题。TeachingMaterials/YuandongLi18第1章绪

论一般说来，微分方程的边值问题只是在方程的性质比较简单、问题的求解域的几何形状十分规则的情况下，或是对问题进行充分简化的情况下，才能求得解析解。而实际的材料成形问题求解域往往是十分复杂的，而且场方程往往相互耦合，因此无法求得解析解，面在对问题进行过多简化后得到的近似解可能误差很大，甚至是错误的。TeachingMaterials/YuandongLi19第1章绪

论采用模拟技术，能在材料成形工艺设计和模具设计初步方案完成后立即对其进行检验，寻求可行的甚至最优的设计方案，然后再完成详细设计并进行模具制造。这样，在新产品开发时，就能使得产品设计、工装模具设计和制造等相关工作同时展开，即实现并行工程，达到降低成本、提高质量、缩短产品交货期的目的。TeachingMaterials/YuandongLi20第1章绪

论

数值模拟方法的基本特点是将微分方程边值问题的求解域进行离散化，将原来欲求得在求解域内处处满足场方程，在边界上处处满足边界条件的解析解的要求降低为求得在给定的离散点(节点)上满足由场方程和边界条件所导出的一组代数方程的数值解。这样，就使一个接续的、无限自由度问题变成离散的、有限自由度问题。TeachingMaterials/YuandongLi21第1章绪

论材料成型数值模拟方法的主要内容是：

前处理、模拟分析计算和后处理三部分。前处理：实体造型、网格剖分模拟分析计算：宏观模拟、微观组织模拟及缺陷模拟、多种物理场的耦合计算后处理：模拟结果的可视化处理TeachingMaterials/YuandongLi22第1章绪

论数值模拟方法可以分为两大类：1、有限差分法2、有限元法

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论

有限差分法以差分代替微分，将求解对象在时间与空间上进行离散，对每个离散单元进行各种物理场分析(如温度场、流动场及应力场等)，然后将所有单元的求解结果汇总，得到整个求解对象在不同时刻的行为变化，并对分析对象的可能变化(发展)趋势作出预测。有限差分法具有求解过程简单、速度快、前后最处理易于实现等优点。TeachingMaterials/YuandongLi24第1章绪

论有限元法的特点是将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接的单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求的插值函数描述基本未知量在其中的分布。随着单元尺寸的缩小，近似的数值解将越来越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和变动的边界。TeachingMaterials/YuandongLi25第1章绪

论

五、材料成型过程数值模拟研究的发展趋势

要求：高质量、低成本、短周期。1、并行工程，要求高质量、高效率的高度集成的数值模拟系统。计算机硬件、计算速度的方法。

2、高度集成，包括图形系统、数据传输程序、前处理系统、模拟分析系统、后处理系统、数据库管理系统。模拟分析系统也是多种物理场模拟的集成，如流场、温度场、应力场、相场的耦合；应力/应变场、温度场、相场耦合的模拟系统等。总之，高质量、高效率的高度集成的数值模拟系统并行工程的可靠而有效的保证，也是发展虚拟制造技术的关键之一，它将会促进21世纪的材料加工技术得到更大的发展。TeachingMaterials/YuandongLi26参考书目1.张凯锋等编著，材料热加工过程的数值模拟，哈尔滨工业大学出版社，2001

2.董湘怀主编材料成形计算机模拟，机械工业出版社，20023.李英民，崔宝侠，苏仕方，计算机在材料热加工领域中的应用，机械工业出版社，2001

4.辛啟斌编著，材料成形计算机模拟，冶金工业出版社，20065.

刘高典，温度场的数值模拟，重庆大学出版社，1990

6.程军，计算机在铸造中的应用，机械工业出版社，1993

7.武传松，焊接过程数值分析，哈尔滨工业大学出版,1990

8.徐瑞，材料科学中的数值模