1.材料加工过程的数值模拟.ppt

材料加工过程的数值模拟 主讲人 张振亚江苏大学复合材料课题组E mail z y zhang Tel第一讲数值模拟概述 1 引言 2 偏微分方程 3 有限元解法 4 有限元工程实例5 DeformTM简介及举例 6 有限元中数学原理 选讲 宏观尺度材料计算 有限差分法FDM有限元法FEM有限体积法FVM 1 引言 计算材料学 宏观尺度材料计算 1 引言 连续介质 continuum 流体力学或固体力学等宏观尺度模拟研究的基本假设之一它认为流体或固体质点在空间是连续而无空隙地分布的 且质点具有宏观物理量如质量 速度 压强 温度等 都是空间和时间的连续函数 满足一定的物理定律 如质量守恒定律 牛顿运动定律 能量守恒定律 热力学定律等 有了连续介质假设 就可以在宏观尺度研究中广泛运用数学分析这一强有力的工具 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 有限元法的形成有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法 它是50年代首先在连续体力学领域 飞机结构静 动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法 随后很快广泛的应用于求解热传导 电磁场 流体力学等连续性问题 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 有限元法的基本思想 1 将连续的求解系统离散为一组由节点相互联在一起的单元组合体2 在每个单元内假设近似函数来分片表示系统的求解场函数 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 离散要求 单元结点不重复 变形前后单元之间都是连续的 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 2 近似函数建立不同的单元模型 适应各种各样的变形模式和受力模式 数值计算方法比较 1 引言 宏观尺度材料设计 有限元方法 有限元软件 国际上早在20世纪50年代末 60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序 其中最为著名的是由美国国家宇航局 NASA 在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统 该系统发展至今已有几十个版本 是目前世界上规模最大 功能最强的有限元分析系统 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 有限元法的发展从单纯结构力学计算发展到求解多物理场问题有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来 逐步推广到流体力学 温度场 电传导 磁场 渗流和声场等问题的求解计算 最近又发展到求解几个交叉学科的问题 例如当气流流过一个很高的铁塔产生变形 而塔的变形又反过来影响到气流的流动 这就需要用固体力学和流体动力学的有限元分析结果交叉迭代求解 即所谓 流固耦合 的问题 宏观尺度材料设计 有限元方法 1 引言 2 偏微分方程 科学技术领域内 对于绝大部分问题 人们已经得到了它们应遵循的基本方程 偏微分方程或常微分方程 如 温度场方程 浓度场方程 流场动力学方程电磁场方程 固体力学方程 有限元就是一种求解上述微分方程的数值求解方法 难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程 并且还需要保持数值稳定性 温度场方程 浓度场 2 偏微分方程 2 偏微分方程 温度场方程 浓度场 2 偏微分方程 固体力学方程 2 偏微分方程 固体力学方程 2 偏微分方程 流体动力学方程 2 偏微分方程 流体动力学方程 2 偏微分方程 分类及特点 2 偏微分方程 分类及特点 3 有限元解法 有限元位移法解题基本步骤 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 3 有限元解法 4 有限元工程实例 计算机模拟促进了热加工工艺改进 大型船用曲轴锻造数值模拟研究 计算机模拟促进了热加工工艺改进 大型船用曲轴锻造数值模拟研究 计算机模拟促进了热加工节能降耗 大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究 初始坯料形状 不同型砧 平砧 90 V砧和120 V砧 倒棱后锻 件形状 以及120 V砧滚圆后形状 计算机模拟促进了热加工节能降耗 大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究 不同型砧下的锻件倒棱 滚圆后的断面形状精度 计算机模拟促进了热加工节能降耗 多工步成形中的空洞型缺陷演化 大型长方体钢锭平砧拔长后的空洞闭合情况 外观图和剖面图 基于空洞演化的体胞模型 通过数值模拟可以为锻件 控性 提供理论分析基础 也为新工艺的创成提供了依据 计算机模拟促进了热加工节能降耗 汽车传动系统锻件的飞边余量 计算机模拟促进了热加工节能降耗 汽车传动系统锻件的飞边余量50某汽车传动系统锻件的飞边余量原来占到总重 量的约50 经过计算机模拟 改进了锻造工 25 艺设计 使飞边余量降低到25 通过节省原材料降低了能耗 飞边余量的降低百分比 计算机模拟促进了热加工节能降耗 还保证了产品质量 大型合金钢模块 P20大模块预冷 水淬 自回火 水淬 自回 火处理后珠光体分布云图 国家体育馆空间结构梁焊接变形隔板66 第4段第3段 外侧腹板 隔板22a 隔板38 隔板39 隔板41 第2段 上翼板 内侧腹板 下翼板 隔板B1 隔板37 隔板编号示意图 隔板焊缝G4 第1段结构整体示意图隔板焊缝G1隔板焊缝G2隔板焊缝G3 主焊缝Z1主焊缝Z2焊缝的空间分布及编号图 主焊缝Z4主焊缝Z3 注 隔板焊缝编号以一个隔板为例 其余隔板相同 perature C Temp 宁德项目2 反应堆压力容器接管段温度700 应力 600500400300200 WELD2 WELD1 modifieddesignTemperatureinweldvicinity 0 50 100 150 200 250 300 350 400 100 Distance mm 焊接残余应力与焊缝布置 核电装备堆内构件应力槽计算 isplacement mDi mm 斜接管交换器焊接变形预测0 50 firstsecondthirdfourth b 0 20 0 450 400 350 300 25 内环2 内环1 内环3 0 100 05 0 15 外环2 a外环1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16