材料加工过程实验建模方法,简单实验设计
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。
模型制作技术》实验指导书
加深对设计理念的理解
通过制作实物模型，学生将更深入地理解设计理 念，更好地把握设计细节，提高设计能力。
实验材料与工具
材料
木质、塑料、石膏等常用模型制 作材料，以及用于表面处理的颜 料、涂料等。
在处理石膏等粉末状材料时，应佩戴口罩等防护用品，防止吸入粉尘；
在使用颜料、涂料等化学物品时，应避免直接接触皮肤，防止过敏或中
毒。
02
基础模型制作
模型材料选择
塑料模型
塑料模型轻便、耐用，易于加 工和上色，适合制作细节要求
不高的模型。
木质模型
木质模型质感好，可塑性强， 但加工难度较大，需要较高的 手工技能。
《模型制作技术》实验指 导书
• 实验准备 • 基础模型制作 • 高级模型制作 • 实验报告与总结 • 实验常见问题与解答
01
实验准备
实验目的
1 2 3
掌握模型制作的基本原理和技术
通过实验，学生将了解并掌握模型制作的基本原 理和技术，包括材料选择、比例控制、细节处理 等方面的知识。
培养动手能力和创造力Fra bibliotek5实验常见问题与解答
材料问题
01
材料选择与准备
02
问题1：如何选择合适的材料？
03
根据实验需求选择适当的材料，如塑料、木材、金 属等，考虑其强度、重量、成本等因素。
材料问题
01
问题2：如何确保材料质量？
02
检查材料的规格、质量，确保无缺陷、无 损坏，必要时进行质量检测。
03
问题3：如何处理特殊材料？
定制化服务优势
材料加工过程数值模拟
第一部分：铸造过程的数值模拟1.1概述铸造工艺历史悠久,但长期以来只是一种手工艺经验积累,近代逐渐成为一门工程技术,但仍缺乏完整的科学体系[1-3]。
铸件凝固及其相应的铸型充填是铸造工艺的基本技术问题,大部分铸造缺陷产生于这一过程或与之密切相关,但由于该项研究问题复杂、难度较大,在实际生产中不得不更多地依赖于经验。
液体金属进入型腔之后,流态和温度是如何变化的,凝固是如何进行的,缺陷是如何生成的,这些对铸造工作者来说还带有相当的盲目性。
如何把它们计算和描绘出来,优化出最佳方案并形成工艺文件,尽可能以较少人力、物力生产出优质铸件,这就是铸件凝固数值模拟的主要任务[2]。
该学科是材料发展的前沿领域, 是改造传统铸造产业的必由之路。
经历了数十年的努力, 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段, 铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。
铸造充型凝固过程的数值模拟, 可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,在浇注前采取对策以确保铸件的质量, 缩短试制周期, 降低生产成本。
1962年丹麦的Forsund把有限差分法用于铸件凝固过程的传热计算，从此铸造工艺揭开了计算机优化的序幕。
电子计算机在铸造生产中得以应用，目前主要在生产管理和数据处理、生产过程自动化控制以及铸造工艺辅助设计等领域，而用计算机模拟仿真逐步代替传统的经验性研究方法，已成为21世纪铸件成形技术的发展趋势之一[3]。
数值模拟技术经过数十年的发展，已经步入工程实用化阶段。
1989年, 世界上第一个铸造CAE商品化软件在德国第7届国际铸造博览会上展出, 它以温度场分析为核心内容, 在计算机工作站上运行, 是由德国Aachen大学Sahm教授主持开发的, 被称之为MAG2MA软件。
同时展出的还有英国FOSECO公司开发的Solstar软件, 它可在微机上运行, 但对有限元分析作了极大的简化。
大型汽车工程部件注塑成型实验报告
大型汽车工程部件注塑成型实验报告一、实验目的1、掌握注塑成型工艺中各参数如塑件材料、成型压力、温度、注射速度、浇注系统等因素对其成型质量的影响大小。
2、介绍塑件各种成型瑕疵的构成机理，以及各工艺参数对各种瑕疵构成的影响大小。
3、初步介绍压铸成型分析软件moldflow的各项功能及基本操作。
4、初步介绍ug软件三维建模功能。
5、初步介绍ug软件三维模具设计功能。
二、实验原理1、moldflow压铸成型分析软件的功能十分齐全，具备完备的分析模块，可以分析出来压铸成型工艺中各个参数例如塑件材料、成型压力、温度、口服速度、浇筑系统等因素对成型质量的影响，还可以模拟出成型瑕疵的构成，以及如何改良等等，还可以预测每次成型后的结果。
2、注射成型充填过程属于非牛顿体、非等温、非稳态的流动与传热过程，满足黏性流体力学和基本方程，但方程过于复杂所以引入了层流假设和未压缩流体假设等。
最后通过公式的分析和计算，就可以得出结果。
三、实验器材硬件：计算机、游标卡尺、注塑机、打印机软件：ug软件、moldflow软件四、实验方法与步聚1、ug软件模型创建和模具设计（已省却）；2、启动moldflow软件；3、新建一个分析项目；4、输出分析模型文件；5、网格分割和网格修正；6、流道设计；7、冷却水道布置； 8、成型工艺参数设置； 9、运转分析解器； 10、制作分析报告11、用试验模具在注塑机上进行工艺试验（已省去）；12、分析演示分析报告（省却与实验结果相比较这一步骤）； 13、得出结论五、前置处理相关数据 1.网格处理情况1）展开网格确诊，可以看见网格重合和最小四海比等问题； 2）网格确诊，并依次修正存有的网格问题； 3）修正回去后，再次检查网格情况。
2.材料选择及材料相关参数在在方案任务视窗里双击第四项材料，插入例如图材料挑选窗可直接选常用材料，也可根据制造商、商业名称或全称搜索3. 工艺参数设置双击方案任务视窗里的“成型条件设置”，这里直接用默认值。
《材料成型综合实验》3D打印实验报告实验
《材料成型综合实验》3D打印实验报告实验一、实验目的1、掌握快速成型加工原理、方法及在模具加工中的应用；2、了解快速成型机床的组成、工作原理和操作方法。
二、实验仪器HTS-400pl快速成型机、树脂丝材、计算机等三、实验原理3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉未状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
RP技术基本原理：离散—堆积（叠加）。
3D打印技术与激光成型技术基本上是一样的。
简单来说，就是通过采用分层加工、迭加成形，逐层增加材料来生成3D实体。
称它为“打印机”的原因是参照了其技术原理，3D打印机的分层加工过程与喷墨打印机十分相似。
首先是运用计算机设计出所需零件的三维模型，然后再根据工艺需求，按照一定规律将该模型离散为一系列有序的单位，通常在Z向将其按照一定的厚度进行离散，把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；然后再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，然后系统后自动生成数控代码；最后由成型一系列层片并自动将它们连接起来，最后得到一个三维物理实体。
四、实验过程基本过程如下：对要打印的零件进行三维建模，绘制三维图形，保存STL通用格式。
用3D打印软件打开保存的STL格式的零件，在3D打印软件中设置相关打印参数，生成路径。
将3D软件生成的GSD格式用插卡的形式放在打印机里。
随后启动打印机即可。
实验的详细过程如下：首先进行的三维模型构建经常使用的软件有Pro/E、UG、SolidWorks、激光扫描、CT断层扫描等。
然后要对三维模型做近似处理，也就是用三角形平面来逼近原来的模型（STL文件）。
近似处理后进行切片处理，即对加工方向（Z方向）进行分层（间隔一般取0.05m--0.5mm，常用0.1mm ）。
之后进行打磨、抛光、涂挂、烧结等后处理步骤。
最后成型加工。
成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息扫描。
其中分解（离散）过程由计算机完成，组合（堆积）过程由成型机完成，后处理过程中的结构与性能的加强由其他辅助设备完成。
模型制作过程实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 熟悉模型制作的基本流程和方法。
2. 提高动手能力和空间想象力。
3. 学习使用模型制作工具和材料。
二、实验原理模型制作是将现实中的物体或场景以缩小的形式表现出来，通常用于展示、教学、研究等目的。
模型制作的过程包括设计、制作、组装、涂装等多个环节。
三、实验材料与工具1. 材料：A4白纸、泡沫板、塑料泡沫、胶水、剪刀、铅笔、直尺、画笔、喷漆等。
2. 工具：美工刀、剪刀、砂纸、螺丝刀、尺子、胶枪、喷枪等。
四、实验步骤1. 设计阶段（1）确定模型主题和比例。
（2）绘制模型草图，包括物体轮廓、细节、色彩等。
（3）确定模型尺寸和材料。
2. 制作阶段（1）按照草图裁剪泡沫板，制作出物体基本形状。
（2）使用美工刀和砂纸修整泡沫板，使形状更加准确。
（3）用胶水将泡沫板粘合，确保连接牢固。
（4）用铅笔在泡沫板上勾勒出物体细节，如门窗、纹理等。
（5）用画笔在物体表面涂上底漆，使颜色更加鲜艳。
3. 组装阶段（1）将制作好的泡沫板零件按照设计图纸进行组装。
（2）使用螺丝刀将零件固定，确保组装牢固。
（3）检查组装好的模型，如有松动或变形，及时进行调整。
4. 涂装阶段（1）用喷枪对模型进行喷漆，注意喷漆距离和角度。
（2）根据需要调整喷漆颜色和厚度。
（3）待第一层漆干透后，进行第二层喷漆。
5. 后处理阶段（1）检查模型整体效果，如有不足之处，进行修正。
（2）对模型进行打蜡处理，提高光泽度。
（3）将模型放置在展示架上，进行展示。
五、实验结果与分析1. 成功完成了一个以城市景观为主题的模型制作。
2. 在制作过程中，掌握了模型制作的基本流程和方法。
3. 提高了动手能力和空间想象力。
4. 学习了使用模型制作工具和材料。
六、实验总结本次实验通过模型制作，使我们对模型制作的基本流程和方法有了更深入的了解。
在实验过程中，我们遇到了各种问题，如材料选择、工具使用、细节处理等。
通过不断尝试和调整，我们成功完成了模型制作。
此次实验不仅提高了我们的动手能力和空间想象力，还让我们学会了如何解决问题和团队协作。
材料加工计算机仿真模拟实验教学
材料加工计算机仿真模 拟实验教学
柳 谋 渊
（ 上 海应 用技 术学院 材料科 学与工程 学院 ， 上海 ２ ０ １ ４ １ ８ ）
摘 要 ： 分 析 了计 算机 仿真 模拟 实验在 工 科 院校 中应 用 的合 理性 和 有 效性 ， 对 材料 加 工 工程 专 业
二、 应 用 范 围
一
仿真模拟技术在材料加工实验教学 中的应用 ， 化模 拟 技术 可 以有效 地进 行教 学 ，在 揭示 材料 各 种 让 学生 掌握 数字 化模 拟技 术 。 是可 以形成虚拟实验操作环境 ， 包括环境生成 、 对 内在规 律 的 同时 ，
材 料加 工 工程 专业 通常 的分 析类 别有 金 属塑 性
学的有力补充 ， 成为加强实践教学 ， 提高工程实践能 地揭 示材 料加 工过 程 中的各 种规律 ，实现 对加 工过
力 的重 要 手段 。
程 中材料 、工 模具 和设 备 的各种参 数合 理设 计 和优
化 配置 。
一
、
仿 真 模 拟 实验 的科 学性 和 有 效 性
从 实验装 备 、 实验材 料 和实验 室空 间 的角 度看 ，
二专业教学过程分析材料加工工程中数字化模拟对于铸造焊接塑性成形等工艺设计过程中的工模具设计材料应力应变场分析以及破坏失效分析等方面作用突出已有相应专著和应用成果专业教学过程中的有关课程如冶金原理铸造工艺学金属材料热处理复合材料焊接技术塑性加工工艺和高分子材料成形工艺等均有温度场流场应力应变场和扩散场等问题分析利用现有数字化模拟技术可以有效地进行教学在揭示材料各种内在规律的同时让学生掌握数字化模拟技术
学习时间短 ， 具有投入 计算机仿真模拟实验教学有演示型模拟和研究 数字化模拟实验运行代价低 ， 生。 实验体系具有体系完备 、 内容涵 盖面 型模 拟两种 类型 ， 均 有益 于拓 宽实验 渠道 ， 增 加 学生 产 出的有效 Ｉ
泡沫铝材料的制备与有限元模拟
泡沫铝材料的制备与有限元模拟泡沫铝材料是一种轻质、高强、具有良好吸声和隔热性能的新型功能材料。
由于其独特的优点，泡沫铝材料在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、航空航天、建筑和国防等。
因此，研究泡沫铝材料的制备技术与有限元模拟对其性能的影响具有重要意义。
泡沫铝材料的制备方法主要有物理发泡法、化学发泡法和机械搅拌法等。
其中，物理发泡法是最常用的方法，其工艺流程如下：将混合物放入模具中，置于一定温度和压力条件下；发泡剂分解产生气体，导致混合物膨胀，形成泡沫铝材料；通过观察泡沫铝材料的泡孔结构，发现泡孔大小、分布和密度等因素对其性能有较大影响。
同时，泡沫铝材料的力学性能也表现出明显的各向异性，其中沿垂直于泡孔方向的性能较好。
有限元模拟是一种常用的数值分析方法，可以用来预测泡沫铝材料的性能。
在有限元模拟过程中，需要选择合适的材料模型、边界条件和有限元软件。
其中，材料模型需要考虑泡沫铝材料的弹性模量、泊松比和密度等参数；边界条件需要考虑材料的受力情况；有限元软件可选择ANSYS、SolidWorks等。
通过有限元模拟，可以得出泡沫铝材料的应力、应变和疲劳寿命等性能指标。
在应力分析中，发泡剂的加入使得泡沫铝材料的应力水平显著降低；在应变分析中，泡沫铝材料的应变主要发生在泡孔内，并且沿泡孔方向的应变最大；在疲劳寿命分析中，泡沫铝材料的疲劳寿命随着泡孔密度的增加而降低。
通过对泡沫铝材料的制备与有限元模拟研究，发现制备过程中的发泡工艺对泡沫铝材料的性能具有重要影响。
同时，有限元模拟结果表明，泡沫铝材料的应力、应变和疲劳寿命等性能指标受到泡孔结构、密度等因素的影响。
然而，目前的研究还存在一些不足之处，如制备过程中工艺参数的控制、有限元模拟中材料模型的精度等问题需要进一步探讨。
为了更好地应用泡沫铝材料，未来的研究方向可以从以下几个方面展开：优化制备工艺：进一步研究发泡工艺中的关键参数，如发泡剂类型、温度和压力等对泡沫铝材料性能的影响，为实现制备过程的优化提供依据。
数控铣床零件加工工艺分析与程序设计毕业论文
数控铣床零件加工工艺分析与程序设计毕业论文一、综述在我们的日常生活中，数控铣床扮演着至关重要的角色。
它就像是一个精密的工匠，能够按照我们的需求，打造出各种复杂的零件。
那么如何更好地利用数控铣床进行零件加工呢？这就是我们今天要探讨的主题——数控铣床零件加工工艺分析与程序设计。
当我们面对一个需要加工的零件时，首先需要考虑的是这个零件的工艺分析。
这就像我们做饭前要有个菜谱一样，知道要先放什么，后放什么才能让饭菜更美味。
对于数控铣床来说，工艺分析就像是它的“菜谱”。
我们需要了解这个零件的材料、形状、大小以及加工要求等等，才能决定如何切削、切削的深度、切削的速度等等。
这一步非常关键，因为它直接影响到后续加工的质量和效率。
接下来就是程序设计了，这一步就像是给数控铣床写“指令”。
我们知道数控铣床是通过计算机控制的，那么我们需要把工艺分析的结果转化为计算机能理解的指令。
这个过程需要专业的知识和技能，因为每一个指令都会直接影响到零件的加工效果。
写指令的过程中，我们要考虑到刀具的路径、切削的速度、换刀的时间等等，确保每一步都准确无误。
1. 背景介绍：数控铣床在现代制造业中的地位和作用走进现代化的制造车间，我们总能被那些精密的机械设备所吸引。
其中数控铣床凭借其独特的优势，在现代制造业中占据了举足轻重的地位。
它不仅仅是一台机器，更是制造业的得力助手，工业发展的得力干将。
数控铣床简单来说，就是一台通过数字化程序控制来进行零件加工的机器。
它的作用可大了去了，在现代化的生产线上，零件的精度和效率要求越来越高，这时候数控铣床就派上了用场。
它可以根据预设的程序，精确地加工出各种复杂形状的零件。
想象一下没有数控铣床的话，很多精密的机械设备可能就无法生产出来，我们的日常生活也会因此受到很大的影响。
可以说数控铣床是现代制造业的“得力助手”。
从汽车、飞机到电子产品，几乎所有的制造行业都离不开它。
随着科技的发展，数控铣床的功能也越来越强大，不仅能加工出更精密的零件，还能提高生产效率。
做模型的实验报告(3篇)
第1篇实验名称：模型制作实验实验目的：通过本次实验，掌握模型制作的基本步骤和技巧，提高动手操作能力，培养创新思维。
实验时间：2021年X月X日实验地点：实验室实验材料：木板、铅笔、刻刀、砂纸、胶水、剪刀、尺子、绘图工具等实验步骤：1. 设计模型：根据实验要求，设计出所需模型的基本形状和尺寸。
在纸上绘制出模型的设计草图，标明各个部分的名称和尺寸。
2. 准备材料：根据设计草图，准备好所需的木板、铅笔、刻刀、砂纸、胶水、剪刀、尺子、绘图工具等材料。
3. 放样：将设计草图放大至实际尺寸，放在木板上，用铅笔在木板上勾勒出模型各个部分的轮廓。
4. 切割：用刻刀按照放样时的轮廓将木板切割成所需形状。
注意切割时要保持稳定，避免划伤手指。
5. 砂磨：将切割好的木板表面进行砂磨，去除毛刺和切割痕迹，使表面光滑。
6. 组装：将砂磨好的木板按照设计草图进行组装。
使用胶水将各个部分粘合在一起，确保连接牢固。
7. 装饰：在模型表面进行装饰，如涂漆、贴纸等。
根据设计要求，选择合适的颜色和图案。
8. 完成作品：检查模型的整体效果，确保各个部分连接牢固，表面光滑，装饰美观。
实验结果：经过以上步骤，成功制作出所需模型。
模型外观美观，结构牢固，符合设计要求。
实验心得：1. 在设计模型时，要充分考虑实际需求，合理规划模型的结构和尺寸。
2. 在制作过程中，注意安全，避免划伤手指。
3. 切割和砂磨是模型制作的关键步骤，要掌握好技巧，确保模型表面光滑。
4. 组装过程中，要确保各个部分连接牢固，避免出现松动现象。
5. 装饰是模型制作的重要组成部分，要选择合适的颜色和图案，使模型更加美观。
6. 在实验过程中，遇到问题要及时请教老师和同学，共同解决。
实验总结：本次实验使我对模型制作的基本步骤和技巧有了更深入的了解。
通过实际操作，提高了我的动手能力和创新思维。
在今后的学习和生活中，我会将所学知识运用到实际中，不断提高自己的综合素质。
第2篇一、实验目的本次实验旨在通过实际操作，学习模型制作的基本原理和方法，提高动手能力和创造力，为后续相关课程的学习打下基础。
01.材料加工过程的数值模拟
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：
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
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。
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
零件三维实体建模与快速成形加工综合实验
零件三维实体建模与快速成形加工综合实验零件三维实体建模与快速成形加工综合实验《零件三维实体建模与快速成形加工综合实验》快速原型制造1实验目的1.通过实验了解快速原型制造技术的基本工作原理、快速原型制造的方法及熔融挤压成形快速成型系统的基本结构，能对熔融挤压成形快速成型系统进行简单操作，掌握快速成形技术的基本流程，熟悉快速成型件的制作过程，熟悉快速成型件的后处理工艺，对快速成形技术和应用有较全面的理解和认识；2.理解快速成型在生产中的应用。
2实验要求1.熟悉和使用三维软件，并进行特定零件的建模，构造原形件。
2.利用专用计算机对原形件进行切片，生成STL文件；3.对模型制作分层切片；生成数据文件；4.快速原型机按计算机提供的数据逐层堆积，直至原形件制作完成；5.观察快速原型机的工作过程，分析产生加工误差的原因，提出解决的办法。
3实验主要仪器设备1、熔融挤压成形快速成型系统一台2、电子计算机3、ABS、PVC丝状材料4、大法师软件和Cark软件4实验原理4.1快速成形技术简介快速成形技术是快速制造的核心，能在几小时或几十小时内直接从CAD三维实体模型制作出原型，比图纸和计算机屏幕提供了一个信息更丰富、更直观的实体。
快速原型制造是一种离散/堆积的加工技术，其基本过程是首先将零件的三维实体沿某一坐标轴进行分层处理，得到每层截面的一系列二维截面数据，按特定的成形方法（LOM、SLS、FDM、SLA等）每次只加工一个截面，然后自动叠加一层成形材料，这一过程反复进行直到所有的截面加工完毕生成三维实体原型。
4.2快速成形技术的基本工作过程快速成型制造技术20世纪80年代起源于日本，是近20年来制造技术领域的一次重大突破。
快速原型技术是用离散分层的原理制作产品原型的总称，其原理为：产品三维CAD模型→分层离散→按离散后的平面几何信息逐层加工堆积原材料→生成实体模型。
该技术集计算机技术、激光加工技术、新型材料技术于一体，依靠CAD软件，在计算机中建立三维实体模型，并将其切分成一系列平面几何信息，以此控制激光束的扫描方向和速度，采用粘结、熔结、聚合或化学反应等手段逐层有选择地加工原材料，从而快速堆积制作出产品实体模型。
实验一木模型制作技法
实验一木模型制作技法[实验目的]1、了解木材的特性；2、掌握木模型的制作工艺；[实验软、硬件环境]模型制作实验室[实验内容]1、熟悉木材加工的基本技法；2、设计制作产品木模型；[实验原理]一、木模型概述(1) 木材的一般特性中国地域辽阔，森林分布很广，树种繁多，均有7000多种，其中材质优良、经济价值较高的有千余种，适用于家具的主要木材有30余种，主要有分布在东北的落叶松、江松、白松、水曲柳、榆木、色木、松木、柞木、楸木；分布在长江流域的杉木、本松、柏木、擦木、榨木；南方的香樟、柏木、紫檀等。
木材是在一定自然条件下生长起来的，它的构造特点，决定了木材的性质。
简述如下：①质轻而强度较大；②容易加工和涂饰；③热、电、声的传导性小；④具有天然的纹理和各种色泽；⑤吸湿和变异。
(2) 常用木材的种类①锯材锯材按其宽度与厚度的比例而分为板材和薄木。
A 板材。
锯材的宽度为厚度的3倍或3倍以上的称为板材。
板材按厚度不同又可分为：薄板厚度在18mm以下；中板厚度在19～35mm；厚板厚度在36~65mm；特厚板厚度在66mm以上。
B 薄木。
按不同的锯割方法，可分为·锯制薄木表面无裂纹，装饰质量较高，一般用作覆面材，但加工时锯路损失较大而很少采用。
·刨制薄木纹理为径向，纹理美观，表面裂纹较少，多用于人造板和产品的复面层。
·旋制薄木也称为单板，纹理是弦向的，单调而不甚美观，表面裂纹较多，主要用来制造胶合板或做弯曲胶合木材料。
此外，多层胶合创切薄木是近年来开发出来的一种表面装饰新材料，扩大了木材树种的利用，也为产品的表面装饰提供了优质材料。
②曲木木材弯曲又称曲木。
常用的弯曲方法有·实木弯曲就是将木材进行水热软化处理后，在弯曲力矩作用下，使之弯曲成所需要的各种形状，而后干燥定型。
·薄木胶合弯曲采用实木弯曲的方法，对树种和等级有较高的要求，有一定的局限，因此近几年来，已逐渐被胶合弯曲工艺所代替。
材料加工过程的数值模拟
)
2T y 2 = 0
2T + z 2
) = 0
一般表达式：
. T T T T ρc =[ (λ )+ (λ )+ (λ )] + Q τ x y z x y z
导热的数学描述 初始条件和边界条件
初始条件：物体开始导热瞬时的温度分布， T=f(x,y,z) （τ=0） 边界条件：物体表面与周围介质交换的情 况
2-4不稳定导热的有限差分法
解题步骤
稳态无内热源：
2T 2T 2T + + = 0 2 2 2 x y z
采用圆柱坐标时，若物性参数为常数，由于:
x = r cosθ , y = r sin θ , z = z , 有： & 1 T 2T 1 T 1 2T 2T Q =( 2 + + 2 + 2 )+ 2 α τ r z λ r r r θ
导热的数学描述
建立基础：傅立叶定律和能量守恒定律
在d τ时间内，沿X方向导入微元体的热量： Qx=qx dAdτ= qx dy dz d τ 在d τ时间内，沿X方向导出微元体的热量： Qx+ dX =qx+ dX dAdτ= qx +dX dy dz d τ 在d τ时间内，沿X方向在微元体内积蓄的热量： dQx = Qx - Qx+ dX =(qx - qx +dX ) dy dz d τ = –d qx dy dz d τ 同理： dQy = –d qy dx dz d τ dQz = –d qz dx dy d τ
2T
+
qy qz + ) dxdydzd τ y z T T T ) + (λ ) + (λ ) dxdydzd τ x y y z z
材料成形过程模拟仿真
MSC.Marc/Mentat
Mentat是非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，具有一流实体造型功能，全自动网格划分和建模能力，可以直观灵活地定义多种材料模型和边界条件，控制分析过程、递交分析、自动检查模型的完整性，实时监控分析，可视化处理计算结果，并可直接访问常用的CAD/CAE系统。
开放的工程分析框架结构 图形用户界面方便易用 CAD模型直接访问和几何建模 智能化模型处理：可把几何模型上的载荷、边界条件、材料及单元特性转化为有限元信息。 自动有限元建模 完全的分析集成：将多种分析软件技术集成到Patran一个公共环境中，共用一个模型。 数据库不同平台相互兼容 用户化技术：在Patran的框架系统中直接嵌入自行开发的应用程序和功能 结果可视化处理 开放的软件开发环境:全功能的编程语言——PCL
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。
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。
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 。
单击此处添加小标题
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。
单击此处添加小标题
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) 用于模具设计分析和温度计算 ； 有限元法（Finite Element Method） 用于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈现非稳态，材料的几何形状、边界、材料的性质等都会发生很大的变化。
增材制造技术实训 项目1 基本建模技术
（1）【基准点】 ：单击该图标后，在绘图区由左键选择的一点创建一个基本几何点。 （2）【基准线】 ：选择该图标后，在绘图区由左键选择的两点创建一个几何中心线。 （3）【基准面】 ：选择该图标后，在绘图区由左键选择的一点创建一个几何坐标系。
6. 草图检查
（1）【重叠几何】 ：该图标功能是对重叠的几何图形进行着色显示。 （2）【突出显示开放端】 ：该图标功能是对草图中开放的首尾端进行着色标记。 （3）【着色封闭环】 ：该图标功能是对封闭的草图检查，在图形封闭区着色显示。
教学课件
项目1 基本建模技术
目录
1.1草绘基础 1.2零件建模 1.3工程实例
1.1 草绘基础
进入草绘环境有三种方法，一种是通过选择菜单【文件】|【新建】命令（或选择工具栏的【新建】按钮，再或者通过同时按下键盘的Ctrl+N键），打开如图所示的对话框。在该对话框下，选择文件类型“草绘”，并输入英文文件名，并可以选择是否使用模板，进入草绘环境。第二种方法是打开任意的一个*.SEC文件进入草绘环境。第三种方法是在特征建模时，单击特征草绘定义进入草绘界面。
进入零件环境后，建模特征菜单如图所示。可以通过【模型】工具栏多个图标进行零件特征建模与编辑。
1. 形状特征
（1）【拉伸】特征 ：拉伸特征是在草绘截面的基础上，以一定方向一定深度平直拉伸截面形成实体的方法。选择拉伸特征后，打开拉伸特征操控面板，其各图标对应的功能介绍如图。
拉伸实体
拉伸曲面
加厚材料
暂停特征
特征模式
预览特征
确定特征
取消特征
（2）【旋转】特征 ：旋转特征是在草绘旋转截面的基础上，绕几何中心线旋转一定角度而生成实体的特征建模。选择拉伸特征后，打开旋转特征操控面板，其各图标对应的功能介绍如图。
材料成型设计及实验报告
材料成型设计及实验报告1.引言文章1.1 概述：在工程设计和制造过程中，材料成型是一个非常重要的环节。
本报告旨在探讨材料成型设计及实验，通过对原理、方法和结果的研究分析，以期为工程领域的材料成型提供一定的参考和指导。
材料成型设计是指在工程制造过程中，通过对材料的加工成型，实现产品的设计要求和功能性能。
通过实验方法对材料成型进行研究，可以得出一些结论和分析，为未来的研究和工程应用提供一定的参考意义。
本报告将分为引言、正文和结论三个部分，分别介绍材料成型设计的原理、实验方法和实验结果，对实验结果进行分析总结，最后展望未来的研究方向。
1.2文章结构文章结构部分应该包括对整篇文章的组织结构进行说明，以帮助读者更好地理解整个文章的内容和脉络。
在这里，我们可以简要介绍整篇文章的各个部分，指明每个部分的主要内容和目的。
同时，也可以提及文章的逻辑和内在联系，以及每个部分之间的衔接和关联。
例如，我们可以介绍引言部分的作用是引出文章的主题和背景，概述了材料成型设计及实验的重要性和意义；而正文部分则详细介绍了材料成型设计原理、实验方法和实验结果；最后的结论部分则总结了整篇文章的观点和重点，对实验结果进行了分析和展望未来的研究方向。
通过这样的介绍，读者可以对整篇文章的内容有一个清晰的认识，更便于阅读和理解。
1.3 目的本报告的目的是通过对材料成型设计及实验的研究，探讨材料成型的原理和方法，并分析实验结果。
通过本次实验，我们旨在深入了解材料成型的原理和实验方法，验证相关理论，并对未来的研究提出展望。
同时，通过实验结果的分析，我们将总结出对材料成型设计的一些指导性结论，为相关领域的研究和应用提供参考和借鉴。
希望本次研究能够为材料成型设计领域的进一步发展和应用提供有益的启示和贡献。
2.正文2.1 材料成型设计原理材料成型设计是指根据需要对原材料进行加工，以获得符合特定要求的成型产品的工艺过程。
材料成型设计的原理主要包括材料选择、工艺选型、成型模具设计等方面。
材料加工模型与建模
• 数学模型需要反复修正与改进 实验验证！
材料加工中建立数学模型的目的
• 了解和洞察材料某一方面行为的物理本质，获 得方程或程序中材料的某些响应。例如弹塑性 力学问题（本构方程） • 预测试验中不易复制条件下的材料响应，例如： 大型铸件中的流场问题。 • 允许时间、空间或速率进行外推。如锅炉钢管 的使用寿命的预测等。 • 提炼数据 应力-应变 弹性模量 • 指导优化工艺，提供工艺的实时控制 • 指导工程设计中的材料优选与使用。
复习思考题
• 简要分析建模的要素，提出自己对建模的 理解
• 材料加工中的建模往往要对不同的机理的 耦合问题耦合进行分析，请举例说明材料 加工过程中如何进行耦合建模分析。
数学模型与实验的关系
• 材料科学与工程的问题的研究方法是从试错法开 始的。随着各种材料科学与加工工程中的测试方 法的提高及内在规律的揭示，数学这一数学工具 的作用不断被强化。
• 数值实验与物理实验的结合使得材料研究效率更 高。 • 计算机模拟不但能够在某些方面代替实验，甚至 能够完成实验上不可能完成的任务。
确定）
• 应用的普适性
数学模型的分类
分类原则 人类的认识过程 模型构建数学方法 问题性质 解的特征 算法应用 名称 描述性、解释性 初等模型、图论模型、规划模型、微分 方程模型、最优控制模型、随机模型等 确定与不确定、静态与动态、 连续与 离散、线性与非线性 解析的、数值的 经典工程数学、运筹学
应用领域
模型的本质
• 模型是系统中各种关系的表达形式。（内 涵）
• 建立模型要从状态和过程两个方面去考虑， 把握和描述各种要素之间的像话关系。 • 模型是认识与实践活动的中介。模型是认 识的表达，也是实践的先导。 • 认识深化促进模型的改进，模型可以使实 践活动不断拓展。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
分块原则：
实验单元的分块主要依据实验目的，考虑到同一块内实验条件上
的一致性。 例如，在工业实验中，尽可能把由同一工厂生产的同型号设备、 相同批次的原材料以及在同一时间内进行的实验分在一个块内。 当然，实验单元的很多属性可以作为分块的依据或标志，但不管 按什么标志分块，只有做到在同一块内各实验观察数据之间的方差小 于全部实验观察数据时，分块才是有效的。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
1、全面实验法 把全部因子和所有水平都一一搭配起来进行试验。 优点：能找出最好的搭配方案 缺点：费时费工，有时甚至不可能实现 适用范围：一些较简单的情况
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二、简单实验设计
材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
优点：
(1) 安排灵活，可以确定任意数量的实验配方和进行任意数量的重复，
(3) 查随机数表
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
(1) 在完全随机实验设计中，各配方在所有实验单元中随机地进行分
配，那么由于实验单元之间的差别而造成的观察数字的差异没有单独
考虑，而将其归并在实验误差中。但当各实验单元之间存在较大差别 时，就会造成实验精度的明显降低；
（2）拉丁方试验设计的随机化
对列排列随机化
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
指标：根据实验目的而选定的用来衡量试验结果的
标准。 定量指标 定性指标（非数量指标）
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
因素（因子）：影响实验指标（结果）的实验条件
(1) 可控因素：是指其水平可以比较并且可以人为选择的因素 (2) 标示因素：是指外界的环境条件、产品的使用条件等因素 (3) 区组因素：是指具有水平，但其水平没有技术意义的因素，是 为了减少试验误差而确定的因素 (4) 误差因素：是指除上述因素外，对产品质量特性值有影响的其 它因素的总称
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
配方：为观察研究在某一因素各水平级条件下可能
的实验结果，而进行的整体实验的一个组成部分。 实验单元：可供某个实验配方一次实验用的实验物 质条件。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（一）单因素实验设计
单因素试验设计：是指对一个因素的若干水平，进行重复 几次的试验方案安排。 完全随机的试验设计 随机的分块试验设计 拉丁方试验设计
（二）多因素实验设计
1、全面实验法
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
2、单因素轮换法
将因子中只变化一个，其余固定，进行逐步搭配试验，再通过比较获得
好的搭配方案。
优点：一般也能取得一定的效果，而且试验次数较全面试验的少。 缺点： (1) 对待各因子和水平的机会不均等； (2) 固定和变化因子的顺序，会影响试验结果； (3) 最后结果是否是最好的，还不能充分肯定，只能说在所做过 的试验中是最好。
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
2、单因素轮换法
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材料加工过程的建模方法
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谢谢！
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
水平：因素变化的状态和条件
(1) 水平个数应取三个以上为宜； (2) 水平的选取应是等间隔的：算术等间隔值、对数等间隔值； (3) 水平应是具体的 所谓水平是具体的，指的是可以直接控制的具体的数值或方式， 并且水平的变化能直接影响实验指标的不同程度的变化。
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
注意：
(1) 随着每块内实验单元数的增加，其实验精度将随之降低，因而块
的规模不宜过大； (2) 在分块实验的条件下，同一块内的配方应安排在一个时间进行，
在结束一个块内的实验后，再进行另一块的实验。
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
随机分块实验可以从实验误差中消除由于实验单元的差别所造成 的偏差，但在有些情况下，实验设计中要求消除两类或两类以上因素 之间的偏差。 例:要实验四种不同型号的汽车轮胎甲、乙、丙、丁之间性能上有 无显著差异，可以将其安在汽车上进行实验汽车型号不同是造成偏差 的因素之一轮胎在汽车上安装位置不同，也是造成观察数据之间偏差 的一个因素。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
拉丁方是一种行数和列数相等的方阵
假如在一个设计中含有p个配方，则总计需要p2个实验单元 先按照实验单元中的一个偏差因素将其分成p个组，每个组中 含有p个单元，通常称为按行分类；再按照实验单元的另一个偏差 因素将p2个实验单元分成p个组，每个组中也含有p个实验单元，称 为按列分类。 配方在实验单元中这样分配，便做到各个配方在每一行中出现 一次，且仅一次，在每一列中出现一次，且仅一次
(2) 为提高实验精度所采取的有效措施，将实验单元分块，将相同的
或差别不明显的实验单元归并在一个块内，从而使一块内实验的观察 数据基本上不受实验单元差异造成的影响； (3) 对于块同块之间因实验材料的差别造成的观察数字的差异，可以 单独分析块的附加试验误差，从而达到提高实验精度目的。
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材料加工过程实验建模方法
简单实验设计
第七组：***
一、基本概念
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
试验设计：是一门研究如何正确地安排试验和分析
数据并以较少的试验获得最佳试验结果的科学
方案设计
实验实施
结果分析
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
而且对不同的配方，重复次数可以不等； (2) 统计分析简便。 缺点：精度低，特别是当试验的条件不均匀时尤其明显。 适用场合：主要适用于各实验单元基本均匀一致的场。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
完全随机试验设计的配方随机化
(1) 抽签 (2) 掷骰子
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（2）拉丁方试验设计的随机化
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（2）拉丁方试验设计的随机化
对行排列随机化
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
优点：
(1) 分块后可以做到从实验误差中基本上消除由于实验单元之间的不
均匀造成的误差，从而提高实验的精度； (2) 比较灵活，可以进行任意多块和任意多配方的实验，但要求一个
配方在各个块内重复的次数相等；
(3) 统计分析较简便。 缺点： (1) 如果在实验执行过程中，产生块之间实验单元的混淆或发生实验 过程中丢失数据等情况，将造成分析上的困难； (2) 随着分块数的增加，设计的有效性降低。
（1）拉丁方试验设计的特点
优点：可以控制实验中的两类或两类以上偏差 缺点：
1、当配方数为p时，则至少需要p2个实验单元，因而p的数字不能
太大，一般应有p≤10； 2、随着p的增大，实验误差将随之增大； 3、对实验中可能出现的丢失数据以及在实验单元中的错误分配，
将导致实验的分析工作变得十分复杂。
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