材料成型过程数值模拟

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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。
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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
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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
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第1章 绪 论
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。
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第1章 绪 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 (Artificial Intelligence) 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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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CIMS
CAD 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
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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。
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
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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。
它有别于管理信息系统MIS (Management Information System) 及产品数据管理PDA (Product Data Management)
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第1章 绪 论
市场 CAD
人事
计划
技术 应用 …… 财务
CAE CAM CAPP
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。
体化设计。
• 网络化或协同化
• 柔性化
• 绿色化
• 虚拟化
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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
计算机 I/O接口 D/A转换器 输出信号放大器 执行机构
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
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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。
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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 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。
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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。
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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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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
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• 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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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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第1章 绪 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。
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第1章 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
变系数导热
较复杂几何 形状的物体导热
材料科学与工程中 的传热学问题
高能密度加热 的研究
计算机的应用
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
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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。
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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
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企业信息 处理系统
Internet Intranet
CIMS 部门1 部门2 部门3 部门4 …… 部门n
企业信息处理系统
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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CIMS
CAD (Computer Aided Design) CAM (Computer Aided Manufacturing) CAE (Computer Aided Engineering) CAPP (Computer Aided Process Planning) CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)
焊接传热学
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
数据库技术 应用
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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 (Information Processing
System)
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。
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。
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传感器
生产过程
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的
• 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
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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。
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。
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