材料成型过程数值模拟30页PPT
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(完整版)材料成形过程模拟仿真
在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动 学关系，预测塑性成形过程中材料的流动规律，包括 应力场、应变场的变化、温度场变化及热传导等。
计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过程中 不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。
预测塑性成形过程顺利进行所需的成形力及能量，为 正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。
有限元法能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、 摩擦、工具形状、材料性质不均匀等。除边界条件和 材料的热力学模型外，有限元的求解精度从理论上看 一般只取决于有限元网格的疏密。
利用有限元进行数值分析可以获得成形过程多方面的 信息，如成形力、应力分布、应变分布、变形速率、 温度分布和金属的流动方向等。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。
单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。
对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的优点
由于单元形状具有多样性，使用有限元法处理任何材料模型，任意的边 界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生困难。材料的塑性加 工过程，基本上可以利用有限元法进行分析，而其它的数值方法往往会 受到一些限制。
塑性成形的数值模拟方法
上限法（Upper Bound Method）
用于分析较为简单的准稳态变形问题；
边界元法(Boundary Element Method)
计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过程中 不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。
预测塑性成形过程顺利进行所需的成形力及能量，为 正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。
有限元法能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、 摩擦、工具形状、材料性质不均匀等。除边界条件和 材料的热力学模型外，有限元的求解精度从理论上看 一般只取决于有限元网格的疏密。
利用有限元进行数值分析可以获得成形过程多方面的 信息，如成形力、应力分布、应变分布、变形速率、 温度分布和金属的流动方向等。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。
单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。
对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的优点
由于单元形状具有多样性，使用有限元法处理任何材料模型，任意的边 界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生困难。材料的塑性加 工过程，基本上可以利用有限元法进行分析，而其它的数值方法往往会 受到一些限制。
塑性成形的数值模拟方法
上限法（Upper Bound Method）
用于分析较为简单的准稳态变形问题；
边界元法(Boundary Element Method)
材料成型过程数值模拟
Teaching Materials/Yuandong Li
18
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。
Teaching Materials/Yuandong Li
13
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
Teaching Materials/Yuandong Li
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
Teaching Materials/Yuandong Li
16
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。
材料加工过程的数值模拟
• 金属塑性成形
优点：
• 生产效率高 • 产品质量稳定
• 原材料消耗少 • 有效改善金属的组织和力学性能
75％的钢材
70％的汽车零部件
缺点： • 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法
第四页，共75页。
• 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
CATIA ） 5. 具备一定的专业外语阅读水平 6. 具备一定的计算机基本操作技能
第十八页，共75页。
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
第十九页，共75页。
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言
压铸参数设置
1. 材料属性（铸件、模具及其他）
1. 材料的热物性参数 2. 铸液的流动粘度
3. 材料的热弹塑性参数
2. 界面热交换参数
1. 模具－铸件－模具间热交换系数
2. 模具打开后，模具－空气，铸件－空气热交换 系数
3. 模具－敷料热交换系数
3. 边界条件设置
1. 浇道口液体充型速度
2. 浇道口压力
3. 模具上的合型力
第四十二页，共75页。
实例分析（前处理过程）
4. 铸件及模具初始温度 5. 重力大小及方向
4. 程序运行参数设置
1. 压铸循环次数 2. 程序循环次数 3. 紊流模型设置 4. 温度场设置 5. 缺陷分析设置 6. 应力场分析设置 7. 各个参数单位设置
第四十三页，共75页。
实例分析（后处理过程）
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
12
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
10
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
13
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
8
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。
材料成形过程数值模拟2
材料成形过程数值模拟 （二）
金属铸造成形的数值模拟
发展历史：
丹麦forsund于1962年首次采用电子计算机模拟铸件凝固过程 美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算 研究 我国始于70年代末期，沈阳铸造研究所与大连工学院率先开展了铸造 工艺过程的计算机数值模拟研究工作
2v 2v 2v v v v v p u v w gy 2 2 2 x y z y t x y z
2w 2w 2w w w w w p u v w gz 2 2 2 x y z z y z t x
Levy—Mises理论
材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑 性应变增量就是总应变增量； 材料服从Mises屈服准则，即 s ； 塑性变形时体积不变，即应变增量张量就是应变增 量偏张量；
在以上假设基础上可假设应变增量与应力偏张量成正比
d d ij ij
局限性： 金属材料塑性变形时的特性超出了现有本构关系的描述范 围，或者摩擦特性超出了现有摩擦理论的范围时，模拟结 果会偏离实际情况。
弹塑性有限元法
最早是由Marcal等提出的，它同时考虑弹性变形和塑性变 形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Ruess方程和 Mises屈服准则。 不仅能按照变形路径得到塑性区的变化，而且能够有效地 处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以进行 回弹计算以及缺陷预测分析。 但是，弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，须 采用增量加载，在每一步增量加载中，都须做弹性计算来 判断原来处于弹性区的单元是否已经进入屈服，对进入屈 服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变单元刚度 矩阵。
金属铸造成形的数值模拟
发展历史：
丹麦forsund于1962年首次采用电子计算机模拟铸件凝固过程 美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算 研究 我国始于70年代末期，沈阳铸造研究所与大连工学院率先开展了铸造 工艺过程的计算机数值模拟研究工作
2v 2v 2v v v v v p u v w gy 2 2 2 x y z y t x y z
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Levy—Mises理论
材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑 性应变增量就是总应变增量； 材料服从Mises屈服准则，即 s ； 塑性变形时体积不变，即应变增量张量就是应变增 量偏张量；
在以上假设基础上可假设应变增量与应力偏张量成正比
d d ij ij
局限性： 金属材料塑性变形时的特性超出了现有本构关系的描述范 围，或者摩擦特性超出了现有摩擦理论的范围时，模拟结 果会偏离实际情况。
弹塑性有限元法
最早是由Marcal等提出的，它同时考虑弹性变形和塑性变 形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Ruess方程和 Mises屈服准则。 不仅能按照变形路径得到塑性区的变化，而且能够有效地 处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以进行 回弹计算以及缺陷预测分析。 但是，弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，须 采用增量加载，在每一步增量加载中，都须做弹性计算来 判断原来处于弹性区的单元是否已经进入屈服，对进入屈 服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变单元刚度 矩阵。
材料成形数值模拟PPT文档70页
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
材料成形数值模拟
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽人才能 所向披 靡。
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
材料成形数值模拟
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽人才能 所向披 靡。
材料成型过程数值模拟-南京农业大学
材料成型过程数值模拟上机指导书姓名班级学号南京农业大学工学院机电工程教研室2013年1月上机实践一：Moldflow基础及网格划分一、目的1. 熟练Moldflow软件的界面。
2. 掌握三维绘图软件生成实体模型导入Moldflow方法。
3. 掌握Moldflow模流分析的基本步骤及详细的操作方法。
4. 熟练掌握Moldflow中网格的类型、各种网格类型的应用条件、网格的划分、网格结果检查、修改等。
5. 熟练掌握Moldflow进行最佳浇口分析及填充分析。
6. 熟练掌握Moldflow最佳浇口和流动分析结果导出。
二、内容1. 采用pro/E三维绘图软件建立三维模型，并以STL格式导出。
2. 对模型划分网格、检查网格、修改网格等。
3. 利用Moldflow对该模型进行最佳浇口、填充和流动分析。
4. 导出Moldflow模流分析的结果。
三、上机实践1. 采用三维软件建立实体模型，并以STL格式导出。
2. 模型导入2.1打开软件双击桌面上打开Moldflow软件，会出现如图1所示界面图1 Moldflow初始界面图2 输入对话框2.2导入产品模型（1）执行【文件】→【导入】命令（如图2所示），会弹出如图所示的对话框。
（2）在对话框中找到*.stl文件所在的路径，选择该文件，然后单击【打开】按钮打开文件，会弹出模型“输入”选项设置对话框（图3），选择网格类型和单位尺寸，单击【确定】完成导入模型。
图3 “输入”选项设置对话框3.网格划分执行【网格】→【生成网格】命令（图4）后，工程管理视窗中的“工具”页面显示“生成网格”定义信息（图5），设定参数并单击【立即划分网格】按钮，系统将自动对模型进行网格划分和匹配。
网格划分信息可以在模型显示区域下方的“网格日志”中查看。
图4 图54.网格检验与修补4.1执行【网格】→【网格诊断】命令（图4），系统自动弹出【网格诊断】对话框，如图5所示，上面显示了网格的信息。
网格统计提供了网格不同特性快速评价，针对具体的分析内容对网格进行修补。
《材料成型技术》课件
锻造
通过对金属进行加热和冷却，使其在压力下改变形 状，常用于制造零件和工具。
挤压
将材料穿过模具的缝隙，使其变形成所需形状，常 用于制造管道、线材等。
铸造
将液态材料注入模具中，待冷却后得到所需形状， 广泛应用于汽车、航空等行业。
成型
通过热塑性材料的加热和压力，将其形成所需形状， 常见于塑料制品生产。
常见的材料成型技术
局限性
• 材料限制 • 工艺复杂性 • 有限的成型尺寸
材料成型技术的发展趋势
1
智能化制造
通过引入自动化和智能化技术，提高生产效率和质量。
2
新材料应用
开发和使用新型材料，提高产品性能和使用寿命。
3
环保节能
减少能源消耗和废弃物产生，实现可持续发展。
总结和展望
材料成型技术在各个领域都扮演着重要角色，随着科学技术的进步，我们可以期待在未来看到更多创新和突破。
《材料成型技术》PPT课 件
材料成型技术是一门研究材料加工和加工工艺的学科，涵盖了大量不同类型 的材料和方法，对各个领域的工业和科研都具有重要的意义。
什么是材料成型技术
材料成型技术是通过加热、压力、变形等方式将原材料转变为所需形状和尺寸的工艺。它包括了常见的加工方法， 如锻造、铸造、挤压等。
不同类型的材料成型技术
航空航天领域对高强度和轻质的材料需求较高， 成型技术为其提供了多种解决方案。
3 电子产品
4 建筑领域
成型技术在电子产品制造中的应用包括电路板、 塑料外壳等部件的生产。
通过材料成型技术可以生产建筑中常见的构件， 如钢结构、玻璃幕墙等。
材料成型技术的优势与局限性
优势
• 高效生产 • 多样化的产品形状 • 成本效益
材料成形过程模拟仿真
MSC.Mvision
MSC.Mvision 是一个全面商品化的材料数据信息系统，包括 大量应用于航空航天和汽车行业的 材料数据，可以为用户提供 最丰富、最广泛的材料数据信息，如材料的构成图象(含金相)， 材料的成分含量，材料的各种特性数据，材料数据的测试环境 信息，生产厂家及材料出厂牌号数据等，并可将材料特性作为 设计变量用于设计、分析阶段的整个过程。Mvision的材料构 造器和评估器可帮助用户建立和评估自己的材料数据信息系统。
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。 单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。 对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。 最后将各个单元建立起来的关系式加以集成，就可得 到一个与有限个离散点相关的总体方程，由此求得各 个离散点上的未知量，得到整个问题的解。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性成型过程数值模拟的必要性
现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设 计方面提出了更高的要求 。 若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当， 则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品和废品， 增加了模具的设计制造时间和费用。 传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设计经 验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形过程中的 失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺陷，生产成本 高，效率低。 随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速 发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析 各工艺参数对成型的影响，优化设计。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
材料成型数值模拟
1.长方形坯料在压力机/锻锤上的镦粗工艺
材料选用热变形材料AISI-1025[1800-2200F(1000-1200C)]，初始温度1100℃，摩擦系数0.7，热交换系数5N/sec/mm/C，网格大小5mm，网格数量8408，步数80，每步压下量0.5mm。
（1）材料应力
镦粗过程中，由于上模的压力作用，工件表面应力不断增大，与上下模接触面应力相对较大。
（2）材料应变
由于镦粗过程中压下量变化均匀，所以工件表面应变均匀且较小。
（3）材料速度分布
镦粗过程中材料流动速度不断增加。
由于上下模的阻碍作用，所以工件侧面的流动速度大于与上下模接触面。
（4）材料温度
在镦粗过程中，由于与上下模接触的表面传热快，所以冷却快，所以与上下模接触的表面温度比侧面低。
（5）材料载荷
在镦粗过程中，材料载荷不断增大。
2.圆柱体坯料的挤压/拉拔工艺
材料选用冷变形材料AISI-1008,COLD[70F(20C)]，初始温度20℃，摩擦系数0.12，网格大小3mm、数量8720，步数110，每步时间0.01s。
（1）材料应力
材料应力总的变化趋势是先增大后减小，在减径区的应力较大。
（2）材料应变
材料应变变化趋势是先增大而后基本保持不变，在出口区的应变相对均匀。
（3）材料温度
由于选用冷变形材料，所以材料温度与初始温度保持一致。
（4）材料速度分布
材料流动速度先增大后减小，在出口区流动速度相对较大，当材料全部进入出口区时，流动速度相对较小且均匀。
（5）材料载荷
由于材料在减径区受到的压力更大，所以材料载荷先增大后减小。
材料成型数值模拟课件
体
模
型
炉 内 流 场
工 件 内 部 温 度 场
轮毂轴承套圈轧制毛坯优化
3、数值模拟软件介绍
¾常用有限元模拟软件
z国外
)DEFORM )ABAQUS )ANSYS )FORGE )DYNAFORM )MSC.MARC
z国内
)SHEETFORM（北航） )CASFORM（山东大学） )MAFAP（北京机电研究所）
（2）热处理
¾模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程 ¾预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量 ¾专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散 ¾可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布 ¾可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性
DEFORM用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间 复杂的相互作用。拥有相应的模块以后，这些耦合效应将 包括：由于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制 温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影 响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等
z体积成形技术是先进重大装备基础核心零部件制造关键
)轴承轧制、齿轮摆辗成形可节能20-30%，节材15-30%，降低成本20%
改善组织、提高性能
塑 优点 性 成 形 缺点
节约材料和切削加工工时 生产效率高
不能直接成形形状复杂零件
需重型机械设备和复杂工模具
生产现场劳动条件差
¾塑性成形工艺特点
z加工工艺的多样性
代价低、效率高、通用性好 基于简化和假设 精度差、适用简单变形问题
可靠性好 代价高、效率低 影响因素多、重复性差
兼顾精度和效率 代价低 直观显示变形过程 求解复杂变形问题
¾材料成型数值模拟
--精密成形技术研究开发不可缺少的关键主流技术
材料加工中的数值模拟方法微观组织数值模拟PPT课件
➢ 二战后最杰出的物理学家，理论多面手(等离子物理，流体力学， 核物理，量子场论和天体物理)
➢ 凝聚态物理理论： 二级相变理论，超导理论， 超流理论和 Fermi液体理论.
➢ 概念: 元激发， 序参量和对称破缺
第24页/共43页
朗道相变理论
✓ 为了对连续相变进行理论分析，朗道提出了序参量的概念， 认为连续相变的特征是物质有序程度的改变及与之相伴随的 物质对称性质的变化。
i1i2i
A G1xA)ddxG A
第29页/共43页
) r
i G ijxj
j2
G xj
一般来说，Gibbs自由能表达式的建立主要有两种方法： 一是直接提出描述体系Gibbs自由能的热力学模型；二 是由实验数据经数学拟合得到数学表达式，并赋予物理 意义。
恒压下，Gibbs自由能是温度和成分的函数，任一多组
在模拟晶粒的长大方面，目前最为广泛使用的是基于 Potts模型的蒙特卡罗方法。
MC grain growth model – polyhedral microstructur第es11页/共43页
MC solidification model – Two-phase microstructures
第17页/共43页
Level Set Method 水平函数调整法
在水平函数调整法中，水平函数代替了相场变量，它表 示距固/液界面的距离，液相为正，固相为负，而界面 为零。
根据水平函数求解速度场，确定新界面的位置； 继之，根据新的界面位置调整原有水平函数。 通过不断的迭代，求解出界面形貌的演化。 水平函数调整法虽避免了相场法的渐近分析，但未解决
优点
缺点
①能够逼真地描述具有随机性质 事物的特点及物理实验过程。
➢ 凝聚态物理理论： 二级相变理论，超导理论， 超流理论和 Fermi液体理论.
➢ 概念: 元激发， 序参量和对称破缺
第24页/共43页
朗道相变理论
✓ 为了对连续相变进行理论分析，朗道提出了序参量的概念， 认为连续相变的特征是物质有序程度的改变及与之相伴随的 物质对称性质的变化。
i1i2i
A G1xA)ddxG A
第29页/共43页
) r
i G ijxj
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一般来说，Gibbs自由能表达式的建立主要有两种方法： 一是直接提出描述体系Gibbs自由能的热力学模型；二 是由实验数据经数学拟合得到数学表达式，并赋予物理 意义。
恒压下，Gibbs自由能是温度和成分的函数，任一多组
在模拟晶粒的长大方面，目前最为广泛使用的是基于 Potts模型的蒙特卡罗方法。
MC grain growth model – polyhedral microstructur第es11页/共43页
MC solidification model – Two-phase microstructures
第17页/共43页
Level Set Method 水平函数调整法
在水平函数调整法中，水平函数代替了相场变量，它表 示距固/液界面的距离，液相为正，固相为负，而界面 为零。
根据水平函数求解速度场，确定新界面的位置； 继之，根据新的界面位置调整原有水平函数。 通过不断的迭代，求解出界面形貌的演化。 水平函数调整法虽避免了相场法的渐近分析，但未解决
优点
缺点
①能够逼真地描述具有随机性质 事物的特点及物理实验过程。
材料成形过程模拟仿真ppt课件
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性成型过程数值模拟的必要性
现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设 计方面提出了更高的要求 。
若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当， 则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品和废品， 增加了模具的设计制造时间和费用。
传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设计经 验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形过程中的 失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺陷，生产成本 高，效率低。
随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速 发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析 各工艺参数对成型的影响，优化设计。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性加工过程数值模拟
上机实验
材料模拟仿真实验室 贠冰
.
主要内容
数值模拟的有限元法简介 实验室简介 上机实验软件Ansys简介 上机实验内容及操作步骤 上机分组
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性加工过程的 有限元法
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。
单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。
对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。
由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可直接与 CAD/CAM实现集成，使模具设计过程自动化。
塑性成型过程数值模拟的必要性
现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设 计方面提出了更高的要求 。
若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当， 则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品和废品， 增加了模具的设计制造时间和费用。
传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设计经 验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形过程中的 失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺陷，生产成本 高，效率低。
随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速 发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析 各工艺参数对成型的影响，优化设计。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性加工过程数值模拟
上机实验
材料模拟仿真实验室 贠冰
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主要内容
数值模拟的有限元法简介 实验室简介 上机实验软件Ansys简介 上机实验内容及操作步骤 上机分组
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性加工过程的 有限元法
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。
单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。
对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。
由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可直接与 CAD/CAM实现集成，使模具设计过程自动化。
材料成型计算机模拟分析(各种仿真软件介绍)PPT课件
效率更加向前推进一步。
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26
分析计算模块包括结构分析（可进行线 性分析、非线性分析和高度非线性分 析）、流体动力学分析、电磁场分析、 声场分析、压电分析以及多物理场的耦 合分析，可模拟多种物理介质的相互作 用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
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27
结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应 力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中 的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可 以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大 变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结 构或部件的响应随外载荷不成比例变
替代原来的结构。对连续结构进行离散时，需保证离 散的结构能有效地逼近实际结构；且应能确保结构受
载荷变形时单元之间在边界上不裂开也不相互挤入， 即在变形过程中相邻单元的位移在边界上是相同的、
连续的；同时，为了提高计算精度，还需考虑进行离 散的合适单元形状、合理的单元数目和划分方案。
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完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性 分析。分析中，选择节点位移为基本未知量； 为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需 使单元内各点位移能够用节点位移表示，通常 单元内位移分布难以精确描述；因此，为便于 分析，一般假定位移是坐标的某种简单函数， 这种函数称为位移模式或位移函数。
位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关 键。
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21
通用有限元软件简介
有限元法自1960 年代提出后，由于其强大的功能，获 得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和 有限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展 和完善，国内外先后开发出了MSC.NASTRAN、 ANSYS、ASKA、ADINA、SAP 等诸多大型通用有限 元软件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC 等非线
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分析计算模块包括结构分析（可进行线 性分析、非线性分析和高度非线性分 析）、流体动力学分析、电磁场分析、 声场分析、压电分析以及多物理场的耦 合分析，可模拟多种物理介质的相互作 用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
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结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应 力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中 的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可 以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大 变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结 构或部件的响应随外载荷不成比例变
替代原来的结构。对连续结构进行离散时，需保证离 散的结构能有效地逼近实际结构；且应能确保结构受
载荷变形时单元之间在边界上不裂开也不相互挤入， 即在变形过程中相邻单元的位移在边界上是相同的、
连续的；同时，为了提高计算精度，还需考虑进行离 散的合适单元形状、合理的单元数目和划分方案。
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完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性 分析。分析中，选择节点位移为基本未知量； 为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需 使单元内各点位移能够用节点位移表示，通常 单元内位移分布难以精确描述；因此，为便于 分析，一般假定位移是坐标的某种简单函数， 这种函数称为位移模式或位移函数。
位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关 键。
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通用有限元软件简介
有限元法自1960 年代提出后，由于其强大的功能，获 得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和 有限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展 和完善，国内外先后开发出了MSC.NASTRAN、 ANSYS、ASKA、ADINA、SAP 等诸多大型通用有限 元软件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC 等非线
材料加工中的数值模拟方法-微观组织数值模拟(4)PPT课件
-0.04
（ -0.06
-0.08
、
-0.10
、
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
c
）
fc A 1 c c 0 2 A 2 c c 0 4
A1 1.0 A2 2.5 c0 0.5
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F V A 1c c 02 A 2c c 04 1 2 c 2 d V
Fc FvcFcv
第12页/共42页
For a positive DHm, the regular solution model can predict immiscibility in a given phase.
T1
>
T2
> 不混溶区T3
DH m
DGmix TDSm
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调幅分解（相分离）
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fih noc m fhoc m L d d x c K 1 d d2c 2x K 2 d d x c 2
Ld dFxc,K1d dF2c2x,K2d d2Fxc2
自由能密度 不会由于x轴 反向而变化， 因此L＝0
F tot aA l fhom cK 1d d2c 2xK2d dx c2d x
2c2A1cc04A2cc03
c r t ,t M 2 c 2 A 1 c c 0 4 A 2 c c 0 3
M为常数
c r t,t M 2 2 c 2 A 1 c c 0 4 A 2 c c 0 3
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数值求解
Example
F4422c2dv
e Je
c Jc
❖热 力 学
Je MeFe