01.材料加工过程的数值模拟
材料加工过程的数值模拟PPT课件
dq q x x x dx
dq q y y y dy
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
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2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• 等温面 • 等温线
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热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：QFT x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n 14
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
材料加工过程中的温度场模拟
材料加工过程中的温度场模拟材料加工过程中的温度场模拟是一个非常重要的研究领域，在现代工业生产中起着至关重要的作用。
随着纳米技术、材料科学和计算机科学的不断发展，温度场数值模拟的研究已经成为了一个热门话题。
本文将从基本概念入手，探讨材料加工过程中的温度场模拟。
一、什么是温度场模拟温度场模拟是指通过数值分析方法，采用计算机模拟技术来研究材料加工过程中的温度分布情况。
这种方法通过将各种加工参数输入计算机程序中，同时综合考虑初始温度、材料导热系数、放热能量等多种因素，从而确定加工过程中的温度场分布和变化规律。
二、温度场模拟在材料加工中的应用1. 金属材料加工中的应用金属材料加工过程中，温度场模拟可以用来优化加工参数和工艺流程，提高加工速度和质量。
例如，在压缩成型过程中，通过数值模拟计算可以确定加热和冷却的时间和强度，从而获得最佳的成型效果。
2. 塑料材料加工中的应用温度场模拟在塑料材料加工中的应用非常广泛，可以被用来优化成型工艺流程，提高产品质量和减少生产成本。
例如，在注塑成形过程中，通过温度场模拟，可以预测塑料流动和冷却过程，避免塑料变形或热应力开裂等问题。
3. 玻璃材料加工中的应用玻璃材料在加工过程中容易受到热应力的影响，因此温度场模拟在玻璃材料加工中也十分重要。
例如，在玻璃淬火过程中，通过数值模拟可以得到最佳的淬火温度和冷却速度，从而使玻璃成型更加均匀和质量更加优良。
三、温度场模拟技术的局限性尽管温度场模拟技术可以帮助我们更好地了解材料加工过程中的温度分布和变化规律，但是它也存在一些局限性。
首先，温度场模拟需要耗费大量的时间和资源，特别是对于非常复杂的加工过程来说，模拟时间有时可能需要数月甚至数年。
其次，模拟结果与实际加工结果仍有一定的差异，尤其是对于材料中存在不均匀性和爆炸性反应的情况来说，模拟结果存在不确定性。
四、未来研究方向随着计算机科学和材料科学的不断发展，温度场模拟的研究也将在更广泛和深入的领域得到应用。
热处理过程中材料热膨胀的数值模拟分析
热处理过程中材料热膨胀的数值模拟分析热处理是材料加工的重要环节，其目的是通过改变材料的组织结构和性能，提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性等。
在热处理过程中，材料的热膨胀是一个关键参数，它对热处理过程中的工艺控制和产品质量有着重要影响。
本文将进行热处理过程中材料热膨胀的数值模拟分析。
热膨胀是指在温度升高时，材料出现体积扩大的现象。
这是因为材料受热后，分子的热运动增强，分子之间的相互作用力减弱，从而导致材料的体积增大。
热处理过程中，材料的热膨胀会引起尺寸变化，从而对材料的形状和尺寸稳定性造成影响，这对于需要保持高精度尺寸的工件而言尤为重要。
为了研究材料热膨胀的规律，数值模拟成为一种有效的方法。
数值模拟可以通过在计算机上建立材料的数学模型，通过计算和模拟得出材料在热处理过程中的热膨胀情况。
数值模拟分析可以根据材料性质、温度变化和材料几何形状等因素，计算出材料的热膨胀系数和尺寸变化。
在进行热处理过程中材料热膨胀的数值模拟分析时，我们首先需要收集材料的物性数据。
这些数据包括材料的热传导系数、热容、密度以及线膨胀系数等。
这些物性数据是进行数值模拟的基础，可以通过实验测定或者已有的文献资料得到。
其次，我们需要确定热处理过程中的温度变化情况。
在实际热处理过程中，工件的温度会随时间变化，并且在不同部位的温度可能存在差异。
因此，我们需要在数值模拟中将工件进行离散化，即将工件划分为多个小的网格单元，并在每个网格单元内计算温度的变化。
通过这种离散化的方法，我们可以得到整个工件在热处理过程中的温度分布情况。
接下来，我们需要利用热力学理论和有限元法等方法计算材料的热膨胀系数和尺寸变化。
热膨胀系数是一个重要的物理参数，它用来描述材料在单位温度变化时的体积或长度变化。
在数值模拟中，我们可以通过计算不同温度下材料的应力和应变，得到材料的热膨胀系数。
尺寸变化的计算可以通过热膨胀系数乘以工件的初始尺寸得到。
最后，我们可以利用数值模拟结果来优化热处理工艺。
热处理工艺中的传热与流动数值模拟分析
热处理工艺中的传热与流动数值模拟分析热处理工艺是在材料加工过程中非常重要的一环，旨在改变材料的力学性能、组织结构和性能，以满足特定的工程要求。
而在热处理工艺中，传热与流动现象起着至关重要的作用。
通过数值模拟分析传热与流动过程，可以帮助我们更好地理解这些现象，并为工程实践提供指导。
热处理工艺中的传热主要包括热传导、对流传热和辐射传热。
热传导是指热量在固体内部传递的过程，对流传热是指热量在流体中传递的过程，而辐射传热则是通过电磁辐射传递热量的过程。
在进行数值模拟分析时，我们可以使用计算流体力学（CFD）方法来模拟和计算这些传热过程。
首先，我们需要建立一个合适的数值模型，包括热处理装置的几何形状、材料的性质以及边界条件等。
通过分析工艺参数和实际应用需求，我们可以确定所需模拟的时间步长、计算网格和求解方案。
然后，我们可以利用CFD软件对模型进行网格划分，该网格将在求解过程中用于离散方程和几何形状。
接下来，我们可以通过计算和求解传热方程来分析传热过程。
热传导方程是描述热传导现象的基本方程，它考虑了热量在材料内部的传递。
对于对流传热，我们可以使用流体力学方程（Navier-Stokes方程）来描述流体的运动和热传递。
辐射传热通常需要考虑辐射热通量的传递，可以通过辐射传热方程来描述。
在进行数值模拟分析时，我们需要输入材料的热物理性质参数，例如热导率、比热容和密度等。
这些参数对模拟结果的准确性和可靠性起着重要的影响。
此外，我们还需要考虑所使用的物理模型和边界条件的选择，这些也会对模拟结果产生重要影响。
利用数值模拟分析传热与流动过程，我们可以评估热处理工艺的效果，并优化工艺参数以获得最佳性能。
例如，在淬火过程中，对流传热和相变行为的数值模拟分析可以帮助我们确定冷却介质的最佳选择和冷却速率。
此外，对于焊接或熔化过程的热处理，我们可以通过数值模拟来分析熔池的形状和温度分布，以优化焊接质量。
然而，数值模拟分析也有一些局限性。
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲课程编号：081096211课程名称：材料成型过程数值模拟英文名称：Computer Simulation of Materials Processing课程类型：专业课课程要求：必修学时/学分：32/2（讲课学时：16，实验学时：0，上机学时：16适用专业：材料成型及控制工程专业一、课程性质与任务本双语课程作为材料成型及控制工程专业专业必修课，目的是向材料成型及控制工程专业的高年级本科生介绍现代计算机模拟和仿真技术在材料成型中应用的专业课程。
通过本课程的学习，使学生初步掌握模拟与仿真的概念，培养高级的材料成型研究专门人才。
本课程教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法；在培养学生的实践能力方面，着重计算机软件应用基本能力的训练，培养学生在工程问题分析与设计构思方面的能力，掌握一定的计算机模拟手段预测材料在成型过程中的变化，并能指导实际工程的工业生产项目，以适应当代工业工程发展的需要。
本课程采用双语教学，提升学生相关专业知识和国际视野和外语学习能力，培养与国际工程技术人员之间的沟通能力。
二、 课程与其他课程的联系先修课：金属材料及热处理，材料力学性能，金属液态成型原理，金属塑性成形原理，材料冶金传输原理，模具设计及运用， 材料成型工艺本课程为材料成型及控制工程专业大四学生开设，本课程开设目的是在学生学习材料成型相关理论、工程知识后能够运用计算机辅助设计软件对材料成型及控制问题进行设计，能够运用计算机辅助工程软件对材料成型过程问题进行分析与预测，得到有效结论，因此学生对于前期课程的学习、理解是本课程开设基础。
三、课程教学目标1．了解材料成型过程计算机模拟与仿真的概念、方法、特点及用途，具有分析、选用相关现代模拟手段进行工程问题模拟仿真能力；（支撑毕业能力要求5.1）2.了解材料成型过程数值模拟领域的发展历程和现状，熟悉计算机模拟的基本理论；能够根据，了解主流的计算机模拟软件及其应用范围；（支撑毕业能力要求2.3，5.2）3. 能够根据具体工程问题选用软件对工程问题的关键环节和参数进行模拟仿真，并根据模拟结果分析、解决问题或优化工艺参数；（支撑毕业能力要求5.3，3.2）4．熟练掌握一种以上计算机模拟软件的基本操作过程，培养学生应用计算机模拟手段的工程应用的能力；强化外语应用能力，能够熟练应用英语表达材料成型工程领域专业技术问题，熟悉国际材料成型计算机模拟与仿真发展趋势，具有一定的国际视野和交流能力。
数值模拟和仿真在材料科学中的应用
数值模拟和仿真在材料科学中的应用数值模拟和仿真技术在材料科学中的应用已经成为一个不可避免的趋势。
随着计算机技术的不断发展，材料科学领域的研究已经由传统的实验方法向计算机仿真方法转移。
本文将介绍数值模拟和仿真在材料科学中的应用。
一、数值模拟和仿真的概念数值模拟和仿真是计算机科学中的基本方法之一。
数值模拟是通过遵循已知规律和数学方程来计算机模拟实际过程，以便预测未来或解决问题。
仿真是通过计算机模拟物理现象，以便理解其工作原理和展示其特点。
数值模拟主要是通过数学建模方法来计算过程，仿真则是通过计算机模拟物理环境来实现物理环境的模拟。
二、数值模拟在材料科学中的应用1. 材料结构与性能的预测数值模拟可以用来预测材料的结构和性能。
通过数学建模和仿真，科学家可以在计算机上设计新材料，学习材料在不同条件下的性能并进行优化。
这项技术已被广泛应用于多种领域，包括航空航天、汽车、医疗设备以及化学工业等。
2. 材料加工过程的模拟数值模拟可以模拟材料加工的过程，例如锻造、压制和注塑等。
这种技术可以用来预测材料在加工过程中的变形和应力分布，从而优化生产工艺，提高生产效率并减少成本。
特别是在新材料的研发中，这种技术可以帮助研究人员快速开发出高性能材料的生产工艺。
3. 材料热响应的模拟数值模拟可以用来模拟材料的热响应过程。
在研究材料的热机械性能时，数值模拟可以计算材料在高温下的应力、变形和应变率等参数，帮助科学家更好地理解材料的性能并进行优化。
三、总结综上所述，数值模拟和仿真技术在材料科学中的应用非常广泛。
这种技术的发展将有助于提高材料的性能，减少生产成本并提高生产效率。
未来，这种技术将继续在材料科学领域发挥重要作用，并将有助于创造更多高价值的新材料。
多孔材料力学性能数值模拟
在未来的研究中，我们建议从以下几个方面进行深入探讨：1）进一步完善 数学模型，考虑更多的物理效应和影响因素，提高模拟精度；2）研究不同类型 和不同应用场景下的分形多孔介质，拓展研究的普适性；3）利用先进的计算技 术和算法，提高数值模拟的效率；4）加强与实验和实际应用的结合，推动研究 成果的应用转化。总之，分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究具有广阔的发 展前景，值得我们继续投入精力进行深入研究。
感谢观看
在分析实验数据的基础上，我们对数学模型进行了验证。模型中我们考虑了 分形多孔介质的复杂结构和非均匀性质，通过有限元法和有限差分法对模型进行 求解。数值模拟结果与实验结果在趋势上基本一致，但在具体数值上存在一定偏 差。这主要是由于数学模型中一些简化假设和实验过程中一些不确定性因素的影 响。
结论与展望
本次演示通过对分形多孔介质内导热与流动数值模拟的研究，取得了一些有 意义的成果。首先，通过对实验数据的分析，揭示了分形多孔介质内部导热系数 和扩散系数与孔隙率之间的关系，对于理解分形多孔介质内的传热和流动行为具 有重要的指导意义。
其次，通过建立数学模型和采用数值算法进行求解，实现了对分形多孔介质 内导热与流动的数值模拟，为进一步优化设计提供了依据。然而，本研究仍存在 一些不足之处，例如数学模型中的简化假设和实验过程中的不确定性因素等可能 导致结果的不够精确。
多孔材料力学性能数值模拟源自目录01 多孔材料力学性能的 数值模拟方法
03 参考内容
02
多孔材料的力学性能 特点
多孔材料力学性能的数值模拟方 法
本次演示旨在介绍多孔材料力学性能的数值模拟方法。多孔材料作为一种重 要的工程材料，在航空航天、生物医疗、建筑等领域得到了广泛的应用。其独特 的孔隙结构和优良的力学性能使其在众多领域中具有广泛的应用前景。为了更好 地理解和应用多孔材料，研究其力学性能以及相应的数值模拟方法显得尤为重要。
材料热加工数值模拟
内容提要：本文首先论述了材料热加工工艺模拟研究的重大意义；回顾、分析了国内外热加工工艺模拟的研究历程和技术发展趋势和方向；提出了我国在该领域开展研究与应用工作的建议。
当前，金属材料仍是应用范围最为广泛的机械工程材料，材料热加工(包括铸造、锻压、焊接、热处理等)是机械制造业重要的加工工序，也是材料与制造两大行业的交叉和接口技术。
材料经热加工才能成为零件或毛坯，它不仅使材料获得一定的形状、尺寸，更重要的是赋予材料最终的成份、组织与性能。
由于热加工兼有成形和改性两个功能，因而与冷加工及系统的材料制备相比，其过程质量控制具有更大的难度。
因此，对材料热加工过程进行工艺模拟进而优化工艺设计，具有更为迫切的需求。
近二十多年来，材料热加工工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿。
一、引言1.1 使金属材料热加工由"技艺"走向"科学"，彻底改变热加工的落后面貌金属材料热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，难以直接观察。
在这个过程中，材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。
我们必须控制这个过程使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态，必须使缺陷减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。
但这一切都不能直接观察到，间接测试也十分困难。
长期以来，基础学科的理论知识难以定量指导材料加工过程，材料热加工工艺设计只能建立在"经验"基础上。
近年来，随着试验技术及计算机技术的发展和材料成形理论的深化，材料成形过程工艺设计方法正在发生着质的改变。
材料热加工工艺模拟技术就是在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在试验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计。
它将使材料热加工沿此方向由"技艺"走向"科学"，并为实现虚拟制造迈出第一步，使机械制造业的技术水平产生质的飞跃。
材料加工中的数值模拟技术
材料加工中的数值模拟技术近年来，随着科技的不断进步和发展，材料加工中的数值模拟技术正在得到越来越广泛的应用。
数值模拟技术可以模拟材料加工过程中的各种因素，从而对生产过程进行优化，提高产品的质量和生产效率。
本文将从数值模拟技术在材料加工中的应用、数值模拟技术的分类以及数值模拟技术的发展趋势等方面对其进行探讨。
一、数值模拟技术在材料加工中的应用材料加工是指通过加工方法将原材料加工成符合要求的零部件、工件、产品等。
常见的材料加工方法包括钣金加工、铸造加工、焊接加工、铣削加工等。
而数值模拟技术是指利用计算机模拟材料加工过程中的各种因素，从而对生产过程进行优化、改进和控制的一种技术。
数值模拟技术可以模拟材料的受力情况、材料变形情况、温度变化情况等因素，从而能够准确地预测材料加工过程中的各种物理效应以及产品的性能。
这不仅能够提高产品的质量和生产效率，还能够降低生产成本，并且减少生产事故的发生。
二、数值模拟技术的分类数值模拟技术在材料加工中的应用是十分广泛的，而基于不同的模拟对象，数值模拟技术可以分为多种类型。
主要包括流体力学模拟、热传导模拟、结构力学模拟、材料塑性变形模拟等。
流体力学模拟是指对材料加工过程中的液体流动情况进行模拟。
如液态金属的流动、塑料挤出等。
热传导模拟是指对材料加工过程中的温度变化情况进行模拟。
如钢件的热处理、焊接熔池的温度分布等。
结构力学模拟是指对材料加工过程中的结构力学情况进行模拟。
如机械零件的承载能力、机器的振动稳定性等。
材料塑性变形模拟则是针对材料加工过程中的塑性工艺进行模拟。
如钣金成形过程、有限元法等。
三、数值模拟技术的发展趋势随着科学技术的发展，数值模拟技术也在不断地演变和创新。
在材料加工中，数值模拟技术已经成为了一个越来越重要的工具。
未来，数值模拟技术的发展趋势主要集中在以下几个方面。
1. 多物理场模拟的综合性应用在材料加工过程中，常常需要考虑到多个因素共同影响下的加工情况，如温度、应力、变形等。
数值模拟
1.数值模拟是指利用一组控制方程来描述一个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。
2.材料成型过程数值模拟技术在先进制造技术中的地位及作用：金属材料成型过程是十分复杂的高温、动态、瞬时过程，过程开放性差，材料经过液态流动充型，凝固结晶，固态变形，相变，再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理，化学，冶金变化而最后成为毛坯或构件。
3.数值模拟技术在材料成型过程中起到如下作用：1.优化工艺设计，使工艺参数达到最佳，提高产品质量；2.可在较短时间内，对多种工艺方案进行检测，缩短产品开发周期；3.在计算机上进行工艺模拟实验，降低产品开发费用和对资源的消耗，数值模拟技术是材料成型领域cad的重要内容，也是先进制造技术——虚拟化，敏捷化，绿色化生产，并行工程的重要基础。
4.材料成型过程数值模拟的研究的发展趋势：满足高质量、低成本、短周期材料成型技术的实现。
研究发展高质量的数值模拟系统依赖于对成型机理的深入探讨，建立高质量的数学物理模型。
为了提高数值模拟系统的效率，除依靠计算机硬件技术的发展之外，人们在研究提高计算速度的方法，开发了大规模计算问题的并行计算方法。
提高硬件和好的计算方法可以提高效率，高度集成的数值模拟软件系统是此项技术发展的必然趋势。
高质量高效率的高集成数值模拟式并行工程的可靠而有效的保证，也是发展虚拟技术的关键之一，它将会促进21世纪的材料加工技术得到更大的发展。
第一章数值模拟技术1.材料成型过程的数值模拟技术主要包括前处理、模拟分析计算和后处理三部分。
1.前处理的任务是为数值模拟准备一个初始的环境对象。
前处理模块是对材料成型过程进行准确模拟，分析的前提和基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的实用性及计算的准确性。
2.前处理模块主要包括两部分内容：实体造型和网格剖分。
板材拉深成形数值模拟过程
择基于 Ｍｉ ｌ ｎｉ ｄ ｎ板壳理论 的四边形壳单 元作 为数值 模 拟 的首选 单元 ； 义 凸模 静 止 ， 定 凹模 、 料 板 、 压 坯料
与凸模 的相对 位置 、 相对 运 动 和 摩 擦 条件 ； 义拉 深 定
龚冬 梅
（ 舍肥 工业 大学 机械与汽车 工程 学院 ， 安徽 舍肥 ２０ ０ ， 通过 与物理模拟相 比较 ， 出数值模 拟技 术应 用在板材拉 深成形 中， 得 将极 大提 高设 计
效 率 的结 论 。
关 键 词 ： 料 ； 深 ； 值 模 拟 板 拉 数 中图 分 类号 ： Ｈ ２ Ｔ １３ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０９—９３ （０７ Ｏ ０ ０ １０ ７ ５ ２ ０ ） ５— １７一Ｏ ２
可以初步确定坯料的形状和尺寸 ， 建立坯料几何模型。
１２ 数 值 模 拟 的 前 处 理 ．
模拟采用 Ｌ Ｓ—Ｄ Ｎ 计 算 程 序 和 Ｄ ＭＡ Ｏ Ｍ ＹＡ Ｙ ＦＲ 前后 处理 软 件 。前 处 理过程 中 ， 先导 入坯料 、 凸模 、 凹
模、 压料板的几何模型。在零件库中选择坯料材料为
性能有关的质量 问题 ， 但是 ， 在很大 的缺点 ： 存 费用
高、 周期长 、 不能模 拟动 态成形 过 程等 。 近年 来 ， 随着 计算 机 软 、 件 技 术 的迅 猛发 展 以 硬 及计 算机技 术 、 学 与力 学 、 艺 学 的交叉 和结 合 图形 工
工序为拉深和压边 。以上设置完成后 ， 将任务提交到 计算程序 中进行处理 ， 在数值模拟前处理结束后生成 ｄｎ和 ． ｏ ｙ ｍ ｄ文件 。
数值模拟
热冲压是钢制筒形件毛坯的主要成形方法，其主要成形工序是冲盂，冲盂变形方式为反 挤压，反挤压挤压力小，有利于金属的成形。由于冲盂时坯料加热不均或定位不准时凸模易 受偏载，故当冲盂变形量大时冲盂件质量差，凸模易损坏。 对于底部带凸台的深孔筒形件， 一次冲盂难以成形，将出现底部充不满，壁厚差超过规定值等缺陷，因此需要配合其他的成 形工序。考虑到冲盂时坯料底部变形小不利于凸台的成形；冲盂件壁厚差随着冲盂深度的增 加而增加，现提出满压型厚壁浅冲和拔伸的筒形件成形工艺方案[6]。
引入 DEFORM 数值模拟技术后，制定一个好的工艺方案的过程可以由 DEFORM 来协 助完成，其中的试模、修模和工艺调整过程都可以先通过 DEFORM 在计算机上虚拟完成，
直到找到一个比较优良的工艺方案后再进行实际生产，因此大量减少甚至取消试模、修模的 工作。针对挤压成形工艺面对的各种问题，DEFORM 能够通过在计算机中模拟挤压工艺过 程预测零件可能出现的表面折叠、表面折缝、缩孔和裂纹等各种缺陷，并能计算挤压零件除 应力过程后的零件性能，同时能够对模具应力分布及模具磨损进行计算。DEFORM 挤压成 形工艺分析已广泛应用于汽车零部件制造企业的工艺研发中，如纳铁福传动轴、太平洋精密 锻造、东风粉末厂及其他轴、齿轮和转向架等工业生产用户[8]。
不过由于挤压成形工艺特点，在生产过程中也有许多需要克服的难点。在挤压成形过 程中工件经常会出现各种缺陷从而导致零件无法达到实际要求，常见的缺陷有：表面折叠、 表面折缝、缩孔和裂纹等[7]。目前国内企业在面临这些问题时大多采用试错法，也就是完全 凭工程师经验进行大量的实际试验，这种方法的弊端在于对工程师经验依赖性大，经验又难 以快速进行有效的积累和传承，通过多次的实际试验，会使得产品的生产周期长，成本增加， 质量不高。因此相关企业都需要一种有效的工具来解决这些难题，专业金属成形工艺数值模 拟工具 DEFORM 便可以为这些难题提供相应的解决方案。
数值模拟在材料加工中的应用研究
数值模拟在材料加工中的应用研究一、引言随着科技的飞速发展，数值模拟成为材料加工领域中不可或缺的一部分，成为实现产品质量提升、生产工艺优化、成本控制等目标的重要手段。
本文将从数值模拟的基本概念、材料加工中数值模拟的应用、以及数值模拟在材料加工中的未来发展等方面对数值模拟在材料加工中的应用进行探讨。
二、数值模拟的基本概念数值模拟是以计算机为基础，利用数学方法和计算机技术对现实世界中复杂的物理现象进行模拟，以求得定量的近似解或最优解的方法。
数值模拟在早期应用于设计计算机芯片、航空飞行模拟、电力系统仿真等领域，而在近年来的材料加工领域得到了广泛应用。
三、材料加工中数值模拟的应用1.成型工艺模拟成型工艺是材料加工的关键环节，对于确保产品的质量、损耗率和生产时间等方面具有重要影响。
数值模拟可以通过有限元法、CFD等手段对成型工艺进行模拟，预测整个成型过程中的温度分布、应力分布等参数，为优化成型过程提供依据。
2.热处理过程模拟热处理是材料加工中的一个重要流程，能够改变材料的组织结构和性能。
数值模拟可以通过计算材料的本构模型和热力学模型，模拟热处理过程中的温度场、应力场等参数，可以量化分析材料的变形情况和热处理效果，并为制定合理的热处理方案提供数据支持。
3.激光加工、电火花加工等非传统加工工艺模拟传统的加工技术在一些材料上存在很大的局限性，而非传统加工技术（激光加工、电子束加工、电火花加工等）由于其高效、精密等特点，被广泛应用于各个领域。
数值模拟可以对非传统加工工艺中的温度分布、熔池形态、应力变化等进行分析、预测，为选择合适的加工参数和优化加工方案提供数据支持。
四、数值模拟在材料加工中的未来发展数值模拟在材料加工中的应用正面临着越来越多的挑战，如如何将数值模拟模型与实际生产过程进行深度融合，从而更好地现实虚拟并行；如何进一步提高数值模拟的分辨率，更精确地预测变形、熔池形态、纹路跳动等问题；如何将数值模拟与机器学习相结合，实现更高效、更智能的生产过程等。
材料加工中的数值模拟方法 微观组织数值模拟
焊接过程模拟：利用数值模拟方法对焊接过程进行建模，研究焊接应力、变形和焊接缺陷等问题， 提高焊接质量和效率。
铸造过程模拟：通过数值模拟方法对铸造过程进行建模，预测铸件充型、凝固和冷却等过程，优 化铸造工艺和模具设计。
应用实例3：复合材料微观组织模 拟
材料加工中的微观组织 数值模拟方法
材料加工过程中微观组织变化规律
微观组织结构对 材料性能的影响
数值模拟方法在 材料加工中的应 用
微观组织变化规 律的模拟结果分 析
数值模拟方法在 材料加工中的优 势与局限性
材料加工过程中微观组织数值模拟方法应用
微观组织数值模拟方法概述 材料加工过程中微观组织演变规律 微观组织数值模拟方法在材料加工中的应用 案例分析：微观组织数值模拟在材料加工中的应用效果
数值模拟方法分类
有限元法
边界元法
有限差分法
有限体积法
数值模拟方法应用领域
机械制造领域 汽车工业领域 航空航天领域 能源与化工领域 电子与半导体领域 生物医学工程领域
材料加工中的数值模拟 方法
材料加工过程数值模拟方法
数值模拟方法的基 本原理
材料加工过程中的 数值模拟方法
数值模拟方法在材 料加工中的应用
微观组织数值模拟方法原理
微观组织数值模拟方法的基本原理 微观组织数值模拟方法的数学基础 微观组织数值模拟方法的物理基础 微观组织数值模拟方法的实现过程
微观组织数值模拟方法应用实例
微观组织模拟方法概述
应用实例2：陶瓷材料微观组织模 拟
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GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟
GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟作者：种润郭绍庆张文扬李柏泓赵梓钧黄帅来源：《机械制造文摘·焊接分册》2022年第01期摘要：为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题，采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。
计算表明，激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程，温度变化速率超过1×105℃/s。
热循环温度峰值超过2500℃，最高达2876℃。
激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。
后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高，先会释放前道沉积形成的应力，随着温度降低会造成更大的应力。
热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。
沉积层残余应力以拉应力为主，高达875MPa，沿沉积方向的应力分量最大。
基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800MPa左右，与其相对应的远处分布有残余压应力。
关键词：镍基高温合金;激光增材制造;有限元;温度场;应力场中图分类号：TG455前言镍基高温合金GH4169（美国牌号Inconel718）在-253～650℃范围内可以保持较高的力学性能、高的耐腐蚀性能、高的抗氧化性能、较佳的焊接性能及较高的疲劳性能，因此在航空、航天、石油管道、核工业等领域具有广泛的应用＼[1＼]。
增材制造技术，从开发设计模型到制造结构功能部件，彻底改变了传统制造业模式，推动下一代工程设计和创新的出现。
增材制造通过降低复杂几何构件的成本并极大提高设计自由度，对许多行业产生了重大影响＼[2＼]。
但是，激光增材制造过程中复杂的瞬态极速冷热循环过程导致热应力的产生，使零件变形甚至开裂，成为制约激光增材制造技术发展的关键问题＼[3＼]。
采用试验方法实时测量增材制造过程中变化极快的温度、应力等重要参数十分困难，因此难以对其进行过程监测及控制。
另一方面，传统的试验试错方法耗时耗力，而且一种材料、一台设备上得到的经验参数通常不能直接应用到其他材料与设备上，使工艺研发成本进一步升高＼[4＼]。
数值模拟技术在材料研究中的应用
数值模拟技术在材料研究中的应用材料科学与工程领域一直是科学技术的重要组成部分，新材料的开发与应用不断涌现，为人民群众的生活带来了诸多福利。
然而，要预测和设计材料的性质、结构和功能，并不是一项轻松的工作，数值模拟技术为我们提供了一种方便快捷、有效可行的研究方法。
一、数值模拟技术概述数值模拟技术是指通过数学模型和计算机技术进行模拟和预测的一种方法。
它不仅广泛应用于材料科学领域，也深刻影响着化工、航空、能源、机械等许多工程领域。
数值模拟技术包含多个方面的内容，如有限元方法、分子动力学模拟、计算流体力学等。
二、1. 有限元法有限元法是一种将连续模型离散化为各种简单形状的体积元素，进而建立数学模型并求解的方法。
在材料科学研究中，有限元法广泛用于材料力学性能、热学性能、疲劳性能等方面的研究。
例如，材料在使用过程中很容易出现断裂、变形等问题。
利用有限元方法模拟材料的拉伸、压缩、弯曲等形变过程，可以计算出应力、应变、塑性形变等力学性能，从而对材料的力学性质进行研究，并指导材料加工和使用。
更进一步，有限元模拟还可以模拟材料在不同温度、压强、应变率等条件下的应变应力和流变行为。
2. 分子动力学模拟方法分子动力学模拟是利用微观动力学原理和分子运动方程模拟分子的运动变化，从而预测材料的性质。
它广泛用于研究材料的力学、热学、光学、电磁性质等。
例如，在材料结构设计中，利用分子动力学模拟方法可以预测材料的晶体结构、晶格常数、热膨胀系数等。
此外，分子动力学模拟还可以研究材料在不同温度、应力、应变速率等条件下的热膨胀特性、弹性性质、流变行为等。
3. 计算流体力学计算流体力学是通过有限体积法、有限元法等数值计算方法，对流体流动的传热、传质、动力学、化学反应等过程进行分析和计算的一种技术。
在材料科学中，计算流体力学通常应用于液态材料的运动研究。
例如，在材料加工中，流体动力学模拟可以模拟流体的输送和流动特性，预测材料流动的流场、速度、温度等参数。
塑性加工过程数值模拟(课程报告)
塑性加工过程数值模拟(课程报告)题目: 塑性加工过程数值模拟课程报告学院:班级：姓名：学号：塑性加工过程数值模拟课程报告1.塑性加工过程数值模拟概述1.1材料塑性加工的地位及分类从制造业的发展历史来看，主要有两类制造业：一个是加工制造业，一个是装备制造业。
制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术零件、装备的行业，是国民经济发展特别是工业发展的基础。
建立起强大的制造业，是提高中国综合国力，实现工业化的根本保证。
金属塑性加工是利用金属的塑性，使金属材料在外力的作用下成形的一种工艺方法。
塑性加工按照工艺可分为轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等。
塑性加工方法按照变形特征可分为体积成形和板料成形，体积成形是变形过程中三个方向的几何尺寸基本处于相同量级，同时三个方向的应力状态需要同时考虑。
如：锻造、轧制、挤压等工艺方法都属于体积成形。
板料成形“宽厚比”较大，厚度方向的尺寸较其它两个方向小得多，变形过程中可简化为平面应力状态。
如冲压、水压胀形等等，板料成形时金属的塑性变形并不一定很大，但与模具的相对位移较大，一般在室温下完成。
1.2材料塑性加工过程中的数值模拟目前传统的研究方法仍旧主要处于经验和知识为依据，以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。
现代市场经济要求实现塑性加工制件的内在质量和尺寸精度的稳定性需要提高，为实现该目标，必须提高塑性加工技术的科学化和可控化水平。
与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法已经不能满足实际需要，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已经成为大家的共识。
用模拟来代替正式的材料加工过程或其中的物理现象进行研究有很多的优点，比如节省运输费用和消耗、不打乱正常生产过程、可以灵活的控制和调节影响因素及其变化、准确测量实验数据等。
模拟优化的目的有：（1）提高产品的性能、质量；（2）降低消耗，降低成本；（3）提高效率；（4）揭示规律。
热处理过程中的温度梯度对材料变形的影响数值模拟分析
热处理过程中的温度梯度对材料变形的影响数值模拟分析热处理是一种重要的材料加工方法，在许多领域中都有广泛应用。
热处理过程中的温度梯度对材料的变形具有重要影响，通过数值模拟分析可以深入了解温度梯度对材料变形的影响机制。
本文将针对热处理过程中的温度梯度对材料变形的影响展开讨论，并通过数值模拟分析来探索其影响机制。
热处理是通过控制材料的加热和冷却过程，使其达到特定的组织和性能目标。
温度梯度是指材料不同位置的温度差异。
热处理过程中的温度梯度是不可避免的，主要由热源和传热特性决定。
温度梯度会导致材料内部产生热应力，从而引起变形。
因此，了解温度梯度对材料变形的影响对于优化热处理工艺和提高材料性能具有重要意义。
首先，温度梯度会导致初生相的分布不均匀，进而引起显微组织的不均匀性。
数值模拟分析可以通过模拟加热和冷却过程来评估不同温度梯度条件下材料的显微组织分布。
研究发现，较大的温度梯度会导致初生相分布不均匀，使材料显微组织中出现大量细小的第二相或内部应力集中区域。
这些不均匀分布的初生相和内部应力将显著影响材料的力学性能和变形行为。
其次，温度梯度还会引起材料的热应力，导致材料发生形状变化。
热应力是由温度梯度引起的应力。
数值模拟分析可以通过建立热弹性力学模型来计算不同温度梯度条件下的热应力分布。
研究发现，温度梯度越大，材料的热应力就越高。
高热应力会导致材料产生塑性变形和形状改变。
因此，在热处理过程中需要特别关注温度梯度对材料的热应力影响，以避免材料变形和破坏。
此外，温度梯度还会影响材料的晶体学取向和晶界行为。
数值模拟分析可以通过模拟晶界迁移和晶粒退化等行为来研究温度梯度对材料的晶体学行为影响。
研究发现，温度梯度较大时，晶界的迁移速率较快，晶粒退化较明显。
这些晶体学变化将进一步影响材料的力学性能和变形特性。
最后，温度梯度还可能引起材料的热残余应力。
热残余应力是指在热处理过程中由于不均匀的温度梯度引起的应力。
数值模拟分析可以通过模拟加热和冷却过程，计算不同温度梯度下的热残余应力分布。
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CAE技术的应用
• 8月17日，北京奥运会游泳比赛项目在“水立方”落下帷 幕，9天内，我们见证了19项新的世界纪录和7项新的奥运 会纪录的诞生，见证了泳坛巨星菲尔普斯身着“鲨鱼皮” 泳衣勇夺8金的奥运传奇。
CAE技术铸就“鲨鱼皮”
• 我们知道水的阻力是运动员提高游泳速度的最大障 碍，它的流动方式是决定泳速的关键因素，因此降 低水的阻力自然成为帮助游泳运动员提高成绩的最 有效途径，它同时也是最具难度的一项工作。而应 用CAE仿真技术的“鲨鱼皮”泳衣却令人难以置信 地比普通泳衣的阻力低38%!
4. 课程要求、进度安排
宏观--微观 多物理场耦合 数值模拟在特种成成形中的应用范围不断拓宽 基础性研究增大 反向模拟技术 模拟软件
协同工作
模拟结果与设备控制的关联
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
1.教材：
隔板焊缝 G2 隔板焊缝 G3 主焊缝 Z4 主焊缝 Z1 注：隔板焊缝编号以一个隔板 为例，其余隔板相同。 主焊缝 Z3 主焊缝 Z2
焊缝的空间分布及编号图
宁德项目2#反应堆压力容器接管段
温度
700
600 500
modified design
应力
400
perature(°C)Temp
300
WELD2 Temperature in weld vicinity
什么是CAE？CAE是什么意思?
计算机辅助工程（CAE）是以工程和科学问题 为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。
– 一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分 析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。 – 另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简 单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了 低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的 设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时 CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展 ，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的 进步。
200
WELD1
100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
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
斜接管交换器焊接变形预测
0.50 0.45 0.40
first second third fourth
b
mm)
0.35 0.30 0.25
isplacement(mDi 0.20 内环1
傅建主编. 材料成形过程数值模拟.化学工业出版社，2009
2.参考书目：
① 刘劲松;张士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的应用.中国水利水电出版 社,2010
② 陈立亮主编．材料加工 CAD/CAE/CAM技术基础 ．机械工业出版社，2006
③ 董湘怀主编．材料成形计算机模拟．机械工业出版社出版社，2002 ④ 辛啟斌编著．材料成形计算机模拟．冶金工业出版社，2005 ⑤ 张凯锋主编．材料热加工过程的数值模拟．哈尔滨工业大学出版社，2001 ⑥ 牛济泰主编．材料和热加工领域的物理模拟技术．国防工业出版社，1999
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120º V砧）倒棱后锻 件形状、以及120º 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
Felt赛车结构设计
• Felt赛车公司借助CFdesign设计出的自行车称为“ 从未见过的最具空气动力学特性的自行车”，并且 赢得了一系列世界重大赛事。
型号：B2-pro 材料：碳纤维 重量：7.58Kg
ANSYS在国家体育场设计中的应用
• 国家体育场是2008年第29届奥运会的主体育场，承 担奥运会开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为 25万m2。建筑的设计使用年限为100年，其“鸟巢 ”结构将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地 面以上平面呈椭圆型，长轴为332.3m，短轴为 296.4m。主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合 屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由 48榀桁架与中间环梁构成，支承在周边24根组合柱 之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为68.5m， 最低点高度为42.8m。主桁架围绕屋盖中部的环梁 放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“ 鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混 凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全 脱开。
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。 将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟仿 真（模拟分析）最为重要。
对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工 作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产 生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 压铸循环次数 程序循环次数 紊流模型设置 温度场设置 缺陷分析设置 应力场分析设置 各个参数单位设置
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析
实例分析（后处理过程）
• 充型过程分析（齿轮室）
实例分析（后处理过程）
• 凝固过程分析
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 艺设计，使飞边余量降 低到25%，通过节省原 材料降低了能耗。
25
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
0.15 0.10 0.05 0.00
内环2
内环3
a
外环1
0 200 400 600 800 1000 1200
外环2
1400 1600 1800 2000
Distance in axial direction(mm)
真空高压气淬炉流场温度场模拟
真 空 炉 实 体
真 空 炉 模 型
炉 内 流 场
工 件 内 部 温 度 场
• CAE技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻 力的理想方案。运动员要求理想的泳衣实现水中运 动过程尽可能平滑和不受到干扰，通过采用 FLUENT数值分析，研究人员得到泳衣各部位的阻 力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使 运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。
• 研究人员使用FLUENT软件分析的仿真数据，精确 定位运动员在水中身体的高磨擦区，通过CAE技术 寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置，然后 在该部位采用低磨擦材料进行设计。
这样就可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要问题在设 计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最优化、和柔性化为 特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。
塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔 • 变形行为的复杂性 变形机理的复杂性 变形金属材料性能的可变性 接触界面与摩擦作用
CAE在焊接结构上的应用
MSC.MARC
本课程学习基础及方法
应用MARC和Procast集成CAE仿真分析软件是一项比较复
杂、对使用者要求相对较高的技术。要求软件的使用者首先
要具备以下的背景知识及一定的工程实践经验，基础包括：
1. 2. 3. 4. CAD/CAE/CAM的基础知识 具有一定的有限元分析方法的理论知识 铸锻焊工艺基础及模具设计的理论 具备能熟练使用某一三维CAD软件进行三维造型的能力（ProE、UG 、 Solidworks、 CATIA ） 5. 具备一定的专业外语阅读水平
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 39
隔板 38 隔板 41
隔板 22a 第2段 上翼板 第1段 隔板 37 内侧腹板 下翼板 隔板 B1
结构整体示意图
隔板编号示意图
隔板焊缝 G1 隔板焊缝 G4
6.
具备一定的计算机基本操作技能
国内外CAE分析师待遇情况
• 国外 因行业而异CAE分析师的年薪工资平均在8－10万美元，网格划 分师在10万美元以上。
• 国内
平均在年薪8万
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
应用现状
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
塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法
工程法（Slab法，主应力法） 滑移线法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限单元法（UBET) 有限单元法（FEM,Finite Element Method）
• 实验/解析法
相似理论法 视塑性法 • 数值法 有限元法 有限差分法 边界元法
铸件CAD/CAE一体化技术
CAD及CAE技术已经逐渐在各行各业得到了广 泛应用。CAD/CAE一体化技术一度被业界追逐并 终于得到了广泛应用，为提高企业研发效率发挥 了重要作用。
铸件成型CAE分析过程
首先由CAD完成设计模型，包括铸件、模具、等 ，通过标准格式输出模型导入CAE分析程序。然后 对模型进行网格离散，以上过程称为CAE的前处理 。在后处理过程中包括对铸件温度场、速度场、应 力场的耦合计算，然后对结果进行显示，生成位移 、应力、温度、压力分布的等值线图以及各个场的 动态显示图。