8-热加工过程的模拟与仿真
Aspenplus浙大吴嘉老师热过程单元的仿真设计二PPT教学课件
HeatX—— U-膜系数法
(2)
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HeatX—几何结构
详细计算时需输入换热器的几何 结构参数。从数据浏览器左侧的目录 树中选择几何(Geometry)项目，然后在 右侧的壳程(Shell)、管程(Tubes)、管翅 (Tube fins) 、 挡 板 (Baffles) 和 管 嘴 (Nozzles)表单中输入相应的数据。
排列模式 Pattern 中心距 Pitch
材料 Material 导热系数 Conductivity
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HeatX——管程参数（2）
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HeatX——管程参数（3）
管程参数还有管尺寸(Tube size)， 可用两种方式输入：
实际尺寸 Actual 内径 Inner diameter 外径 Outer diameter 厚度 Tube thickness
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HeatX——压降/速度（2）
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HeatX —— 分区
分区表单给出了换热器内根据冷、热 流体相态对传热面积分区计算的情况，包 括各区域的热流体温度、冷流体温度、对 数平均温差、传热系数、热负荷和传热面 积信息。我们可根据此信息分析换热方案 是否合理以及改进设计方案的方向。
HeatX—详细计算
详细计算只能与核算或模拟选项配合。 详细计算可根据给定的换热器几何结构和 流动情况计算实际的换热面积、传热系数、 对数平均温度校正因子和压降。
使用核算选项时，模块根据设定的换 热要求计算需要的换热面积。
使用模拟选项时，模块根据实际的换 热面积计算两股物流的出口状态。
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8-热加工过程的模拟与仿真
常用软件
• 经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件
• 主要有ProCast、Simulor、SolDIA、SolSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、ViewCAST、EForm、 AutoForge、SuperForge (体积塑性成形)、DYNA3D、 PAM-Stamp、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS 等。
3、宏观工艺ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拟研究方向
1） 单一分散→耦合集成 模拟功能由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织场
模拟进入耦合集成阶段。包括：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 织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。
2） 共性、通用→专用、特性 由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的 常规热加工，特别是铸造、冲压、铸造工艺模拟技术的日益 成熟及商业化软件的不断出现，研究工作已由共性通用问题 转向难度更大的专用特性问题：
铸造工艺 设计
去应力及均
钢水冶炼
浇注
打箱
匀化热处理
组织及力学 性能检测
精加工
差硬热处理
无损检测
粗加工
铸钢支承辊生产流程图
铸件和铸型的 几何造型
对铸件作网格剖分，离 散到所需的单元尺寸，
修正表面形状
求解能量、动量等 控制方程及缺陷预 测的各种判据函数
计算结果显示与分析
边界条件与初始条件
金属与铸型材料热物 性参数数据的输入
缩孔位置模拟验 证初次工艺设计 思想是否合理
缩孔深964mm
充型凝固后产生的缩孔
2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案
方案一：下辊颈金 属型直径2500mm. 方案二：下辊颈金 属型直径2167mm.
Aspenplus浙大吴嘉老师热过程单元的仿真设计一PPT教学课件
HeatX —— 概况 (2)
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HeatX——换热器详情
(2)
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Heater 加热器模型
Heater 模型用于模拟以下单元， 改变单股物流的温度、压力和相态： 1. 加热器 2. 冷却器 3. 阀门（仅改变压力，不涉及阻力） 4. 泵（仅改变压力，不涉及功率） 5. 压缩机（仅改变压力，不涉及功率）
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Heater 加热器模型（2）
results)，其下包括五张表单：
概况
Summary
衡算
Balance
换热器详情 Exchanger details
压降/速度 Pre drop/velocities
分区
Zones
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HeatX —— 概况
概况表单给出了冷、热物流的 进、出口温度、压力、蒸汽分率 (Vapor fraction)，以及换热器的热负 荷(Heat duty)。
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Case Study— 案例研究
（2）
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Case Study— 参数定义
首先在改变(Vary)表单中定义不 同案例中需要改变的变量：
使用变量序号(Variable number)下拉框中 的新建(new)选项增添新的变量；
使用调节变量(Manipulated variable)栏中 的一组下拉框设定每一个变量的定义。
(Cold stream outlet temperature)
有 7. 冷物流出口温升
13
(Cold stream outlet temperature increase)
个
8. 冷物流出口温差 (Cold stream outlet temperature approach)
CAPD基础第六讲 热过程单元的仿真设计
• 分区
Zones
HeatX —— 概况
概况表单给出了冷、热物流的 进、出口温度、压力、蒸汽分率 (Vapor fraction)，以及换热器的热负 荷(Heat duty)。
HeatX —— 概况 (2)
HeatX——换热器详情
换热器详情表单给出了需要的换热器 面积(Required exchanger area) 、实际的换 热器面积(Actual exchanger area) 、清洁 (Clean)和结垢(Dirty)条件下的平均传热系 数(Avg. heat transfer coefficient)、校正后 的对数平均温差(LMTD corrected) 、热效 率 (Thermal effectiveness) 和 传 热 单 元 数 (Number of transfer units)等有用的信息。
HeatX——换热器详情（2）
HeatX——压降/速度
压降/速度表单给出了流道压降 (Exchanger Pressure drop)、管嘴压降和总 压 降 ； 壳 程 错 流 (Crossflow) 和 挡 板 窗 口 (Windows) 处 的 最 大 流 速 及 雷 诺 数 (Reynolds No.)；管程的最大流速及雷诺数 等有用的信息，我们可以根据这些信息调 整管程数，挡板数目和切割分率，以及管 嘴尺寸。
CAPD基础 第六讲
Simulation Design of Thermal Processes
热过程单元的仿真设计
（二）
HeatX—详细计算
详细计算只能与核算或模拟选项配合。 详细计算可根据给定的换热器几何结构和 流动情况计算实际的换热面积、传热系数、 对数平均温度校正因子和压降。
使用核算选项时，模块根据设定的 换热要求计算需要的换热面积。
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。
5 热加工过程模拟问题
因此，通常可以假设，对于同一种材 料，在变形条件相同的条件下，等效 应力与等效应变曲线是单一的，称为 单一曲线假设。由此假设，就可以采 用最简单的实验方法来确定材料的等 效应力与等效应变曲线。
常用的实验方法有以下三种: （1）单向拉伸实验 （2）单向压缩实验 （3）平面应变压缩实验
（1）单向拉伸实验
2
2
1 , 1
采用圆柱体单向拉伸实验所得到的应力— 应变曲线就是等效应力—等效应变曲线。 但是，该关系仅适合于产生缩颈之前，产 生缩颈时，变形区内的应力状态已变为三 向应力状态，此时：
2 0、 3 0
1
（2）单向压缩实验 对于圆柱体单向压缩时的应力状态为： σ3 ，σ1=σ2=0； 和应变状态为： ε3=-（ε1+ε2）， ε1=ε2＝- ε3 /2。
-10 -15 0.04 0.24 0.42 0.62 0.83 轧制时间子步长
第一道实际尺寸
第一道模拟尺寸
第一道实际尺寸
第一道模拟尺寸
第二道实际尺寸
第二道模拟尺寸
第二道实际尺寸
第二道模拟尺寸
第三道实际尺寸 图 7.22 实际轧制中的轧件取样尺寸
第三道模拟尺寸 图 7.23 模拟计算所得的轧件尺寸
0.24
0.42
0.62
0.83
0.24
轧制时间子步长
0.42 0.62 0.83 轧制时间子步长
第三道轧制时压力和力矩的变化
800 400 0 -400 -800 0.04 0.24 0.42 0.62 0.83 轧制时间子步长 上辊 下辊
15 10
轧制力矩M/KN.m
轧制压力/KN
5 0 -5 上辊 下辊
热加工过程数值模拟仿真大赛
热加工过程数值模拟仿真大赛
热加工过程数值模拟仿真大赛于2013年9月启动，通过动员和竞赛说明，介绍和宣传热加工过程数值模拟仿真大赛；然后组织学生报名，再由莫春立老师对参赛学生进行阶段性培训（见图1），讲解有限元软件的初级应用和高级应用，并针对不同的热加工模拟过程（热处理、焊接、锻压及铸造过程）进行培训。
在程序调试期间，学院提供了计算机工作站进行计算（见图2）。
图1 莫春立老师进行CAE讲座
（a）工作站7500
（b）移动工作站4600 图2计算机仿真工作站
图3部分竞赛成果
历时近四个月，大赛于12月27日进行了汇报评比。
由沙桂英、国旭明、
徐前刚、王继杰教授和莫春立、王艳晶、黄震威副教授以及季书记组成的评委对参赛各队的模拟结果进行了评审，评出一等奖二项，二等奖三项，三等奖三项。
部分竞赛成果见图3。
此次模拟大赛参赛的主要是全校大二以上的学生和研究生。
通过热处理、焊接、锻压及铸造等零件的热加工过程进行数值模拟仿真，提高了学生的计算机应用能力，同时，在模拟过程中学生对热加工工艺如焊接、锻造、热处理等工艺有了进一步的理解，对学习专业课程的兴趣大大增加。
通过参加培训、模拟计算与仿真，同学表示收获颇丰，在意识上重视计算机技术的发展，了解了当前计算机数值模拟与仿真技术在国内许多大型企业和国外许多企业得到的广泛的应用，以及具有广阔的应用前景。
在实际专业学习过程中重视相关课程的学习，乐于拥有良好的数值计算基础，为将来毕业后的就业奠定良好的技术基础。
热设计基础知识及flotherm热仿真-PPT
导热介质-导热垫
我公司现有的导热硅胶垫：
对导热垫的性能要求和主要检测项目： 1）导热系数和热阻：热性能满足要求 2）硬度：优先选用硬度较低的材料 3）绝缘性能：要求耐压满足产品需求（一般3KV） 4）阻燃：要求材料阻燃级别达到V1及以上
导热介质-相变导热膜
导热介质-相变导热膜
导热介质-导热垫
热传导
热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热 阻，乘以其发热量即获得器件温升。
热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。
热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结 与单板间的温差。
热传导
单层平壁导热
热流量是指单位时间内通过某一给定面积的热量， 单位为W。
导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两 侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平 方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K,此 处的K可用°C代替）。它是表征材料导热能力优劣 的物性参数。在30 °C时，空气的导热系数为 0.027 W/m·°C ，因此可以利用空气夹层来绝热， 通常把导热系数小于0.23 W/m·°C 的材料称为 绝热材料。
电子设备冷却方法的选择
✓ 设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一 条低热阻的传热路径。
✓ 利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。热辐射换热则 需要比较高的温差，且传热路径不容易控制。对流换热需要较大的面 积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。
✓ 大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面的 热流密度为0.039W/cm2 。有些高温元器件的热流密度可高达 0.078W/cm2 。
热加工论坛—热轧过程计算机模拟
引言热轧过程计算机模拟主要包括四个方面的功能,即:( 1 )模拟轧件、轧辊温度分布;( 2 )模拟应力、应变分布,求解轧制力、轧制力矩、功率、变形抗力;( 3)模拟轧件奥氏体晶粒尺寸及γ→α相变过程的组织变化:( 4 )预报轧件最终的机械性能(屈服强度,延伸率和硬度) <1,2 > 。
上世纪70年代,国外开始金属轧制过程中微观组织模拟的研究。
Sheffield大学的Sellars等人研究了C -Mn钢和含Nb钢热轧过程的微观组织演变,并首次提出板材从再加热到相变结束过程中组织演变的数学模型<3 > 。
80年代,我国开始热轧过程计算机模拟研究。
预测和控制热轧带钢组织与性能的意义在于:利用数学模型对热轧过程中的传热、应力—应变、组织变化等现象进行计算机预演与再现,从而优化钢种组分及轧制工艺,控制轧件性能、质量<4> 。
热轧过程的微观组织—性能模拟,是有限元数值模拟技术和工程优化理论在金属塑性成形领域中的应用和发展。
2热轧过程中微观组织模拟及试验方法在早期,优化金属塑性成形过程的基本方法是将主要工艺参数作为优化设计变量,而目标是产品中的温度分布均匀性。
随着组织模拟与优化研究的深入,目前将平均晶粒尺寸与实际晶粒尺寸之差定义为优化工作的最终目标,即把目标函数定义为所有单元体的晶粒尺寸与最终轧件的平均晶粒尺寸的均方差<5> 。
如图l 所示,在热轧流程中,加热过程使钢完全奥氏体化,包括碳氮化合物的溶解和奥氏体晶粒长大;在轧制及轧制间隙,钢坯发生奥氏体的回复和再结晶。
同时,组织变化影响材料的变形抗力;轧后冷却时,金属发生奥氏体相变和碳氮化合物的析出;最终产品的力学性能可由室温下金属的微观组织计算得到。
因此,描述轧制过程微观组织演变的物理冶金模型主要包括4个子模型:奥氏体再结晶模型、碳氮化合物析出模型、奥氏体相变模型和组织与性能对应关系模型<4> 。
图l热轧过程微观组织及性能预报模型流程图成熟的有限元软件在塑性力学方面可保证很高的精度,模拟的误差主要取决于边界条件和材料特征值是否正确。
模拟仿真技术在加工过程中的应
能源领域
模拟仿真技术可以用于能源系 统的设计和优化，提高能源利 用效率，降低环境污染。
02
加工过程中模拟仿真技术的应用
切削过程的模拟仿真
切削过程模拟仿真技术是利用 计算机技术对切削加工过程进 行模拟，以预测工件材料去除 过程、刀具磨损和破损情况， 优化切削参数，提高加工效率 和加工质量。
Байду номын сангаас
通过切削过程模拟仿真，可以 分析切削力、切削热、切屑形 成和刀具磨损等过程，为实际 切削加工提供理论依据和优化 方案。
模拟仿真技术在加工过程中的 应用
目
CONTENCT
录
• 模拟仿真技术概述 • 加工过程中模拟仿真技术的应用 • 模拟仿真技术在加工过程中的优势
与挑战 • 未来展望与研究方向
01
模拟仿真技术概述
定义与特点
定义
模拟仿真技术是一种通过计算机建模和仿真来模拟真实系统运行 的技术。
特点
具有高度逼真性、可重复性、可调控性和低成本等特点，能够为 实际加工过程提供有效的预测和优化手段。
该技术广泛应用于机械制造、 航空航天、汽车制造等领域， 有助于减少试切次数、降低生 产成本和提高生产效率。
热力耦合过程的模拟仿真
01
热力耦合过程模拟仿真技术是利用计算机技术对加工过程中产 生的热和力进行耦合分析，以预测工件变形、残余应力和热应
力等，优化工艺参数和减少加工缺陷。
02
通过热力耦合过程模拟仿真，可以分析热传导、热对流和热辐 射等热学现象以及弹性变形、塑性变形和断裂等力学现象，为
该技术广泛应用于冶金、化学、制药等领域，有助于缩短产品研发周期、降低研发成本和提高产品竞争 力。
03
模拟仿真技术在加工过程中的优势与挑战
热加工工艺模拟及优化设计技术
热加工工艺模拟及优化设计技术一、技术概述热加工工艺模拟及优化设计技术是应用模拟仿真、试验测试等手段，在拟实的环境下模拟材料加工工艺过程，显示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织及缺陷的演变情况，预测其组织性能质量，达到优化工艺设计目的的一门崭新技术。
它的研究范围一般可分为：1．热加工过程的数值模拟。
通过建立能准确描述某一热加工工艺过程的数理模型及对数理方程的简化求解，动态显示该过程并预测其结果。
分为宏观（mm-m级）、微观（µm-mm级）、原子（nm-µm级）三个不同的模拟尺度。
2．热加工过程的物理模拟及专家系统。
通过得到准确的临界判据，检验、校核数值模拟的结果；用于影响因素十分复杂的工艺过程，作为数值模拟的必要补充。
3．热加工过程的基础理论及缺陷形成原理。
它是准确地建立过程数理模型，得到缺陷科学判据的研究基础。
二、现状及国内外发展趋势1．国内外发展现状材料热加工工艺模拟研究于1962年开始于铸造过程，进入70年代后，从铸造逐步扩展到锻压、焊接、热处理，在全世界形成了材料热加工工艺模拟的研究热潮。
经多年研究开发，针对常规铸造、冲压、热锻已经形成一批热加工工艺模拟商业软件；并已在铸造、锻压生产中得到一定应用，在注塑、焊接、热处理中的应用刚刚起步；同时数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。
2．发展趋势展望近年来，热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是：（1）宏观－中观－微观已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸，轮廓的宏观尺度模拟（mm-m级）进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微观尺度模拟（微米量级）阶段。
（2）单－分散－耦合集成模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段，以真实模拟复杂的热加工过程。
（3）共性、通用－专用、特性由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，研究工作的重点和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。
机械产品热加工工艺仿真标准研究
机械产品热加工工艺仿真标准研究
机械产品热加工工艺仿真标准研究
万向钱潮股份有限公司□李平一邱宝象
【摘要】本文从机械产品热加工工艺仿真的通用规则出发，面向不同机械制造企业、不同产品类型、不同产品开发模式、不同仿真软件平台，归纳出铸造、锻压、焊接等热加工工艺仿真普遍适用的总体要求和技术要点，提出热加工工艺仿真的精度和速度、物理仿真、系统集成等的规范化要求，并分别给出典型热加工工艺仿真的主要内容、主要步骤和关键要素等，为机械产品热加工工艺仿真提供指导和参考。
【期刊名称】机械工业标准化与质量
【年(卷),期】2017(000)007
【总页数】4
【关键词】热加工仿真标准
1 引言
按照《国家智能制造标准体系建设指南（2015版）》的要求，为了充分发挥标准的基础规范、技术支撑和示范引领的作用，促进仿真技术的广泛深入应用，推动机械行业企业建立数字化研发体系，形成智能制造新模式，促进智能转型，急需制定一批数字化仿真类标准满足企业的迫切需求。
随着制造信息化水平的不断提升，机械行业企业为应对激烈的市场竞争而不断提升自身生产效率和柔性化能力，使机械产品制造过程数字化仿真技术逐渐受到重视。
机械产品制造过程数字化仿真技术以产品全生命周期的数据为基础进行数字化模型的构建，基于数字化模型对产品制造过程进行仿真，进而优化和重组制造系统。
目前的机械产品制造过程数字化仿真系统，由于相关标准的缺。
材料和热加工领域的物理模拟技术
第三章物理模拟技术在焊接领域的应用3.1焊接热循环曲线及其基本参数焊接是通过连接处的局部熔化或相互扩散，将简单零件拼接成大的复杂零件或构件的一种加工手段。
图3.1描述了一个手工电弧焊接过程的示意图及其焊接接头的横截面剖视图。
焊接过程中，处于热源(电弧沖心区的焊件部位将熔化而成为焊缝，而离电弧较远的部位仍处于固态，但都受到焊接热的作用。
由图3.1中A向视图可知，焊接接头由焊缝(焊条与母材熔化混合后经化学冶金反应而结晶凝固成的结合体)及热影响区(固相母材中受电弧加热而引起组织或性能发生变化的区域)所组成，焊缝与热影响区的交界线称之为熔合线。
无论是熔化焊或固态焊接，通常接头中的母材将被加热到高温，而且，升温速度髙，冷却速度快，形成一种与普通热处理大不相同的特殊的热循环。
图3.2所示就是典型的熔焊接头热影响区内各部位所经历的不同焊接热循环(WeldingThermalCycle)曲线。
图3.1手工电弧焊焊接示意图图3.2距离焊缝不同各点的焊接热循环曲线在实际焊接过程中，焊接接头除经受热循环外，还同时经历应力、应变循环。
这是由于焊接过程中被焊接头中各部位经受不均匀的加热和冷却，使焊件中产生不均匀的膨胀、收缩而引起局部弹、塑性应变，从而在接头中形成了内应力、应变场，并往往导致焊后的残余应力和变形。
因此，研究焊接热循环曲线的特征及其塞本参数，进而计算、预测和评定焊接接头的受热受力情况及其带来的各种后果，是从事物理模拟技术在焊接领域研究的基础与前提。
3.1.1焊接热循环的主要参数及其物理意义图3.3示出了一条热循环曲线及其主要参数，它标志着在焊件的焊接热影响区上某一点在热源作用下所经历的热过程，亦即该点上的温度随时间的变化过程。
从图中看出，当焊接热源以一定的速度运动时，焊件上某点瞬时得到的能量是有限的。
对于近缝区某点来说，加热的开始阶段，由于电弧距离较远以及热量向焊件基体内部的传导，该点温度升高较慢，随着电弧的移近和焊缝周围金属的加热趋于饱和，该点的温度将急剧上升，并在峰温处维持一定时间，此时从该点导走的热量与电弧注入的热量相平衡。
08 仿真加工
1368.2 加工功能介绍仿真加工就是利用制造工程师软件模拟实际生产中每一道加工过程，将刀具在加工时的运行轨迹显示出来，并对加工轨迹进行动态图像模拟，实现刀具对毛坯切削的显示，以检查加工轨迹的正确性。
CAXA制造工程师通过轨迹仿真器可直观、精确地对加工过程进行模拟仿真，并且可以在仿真过程中实现以下功能：●可以调节仿真时的速度，还可以随意放大、缩小、旋转以便于观察细节。
●能显示多道加工轨迹的加工结果。
●仿真过程中可以检查刀柄干涉、快速移动过程（G00）中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况。
●可以将切削残余量用不同颜色区分表示，并把切削仿真结果与零件理论形状进行比较等。
制造工程师仿真加工分为两个步骤，首先需要选择正确的加工方法使软件生成加工轨迹，然后启动轨迹仿真器进行轨迹仿真。
一个毛坯件采用的加工方法不同，其生成的加工轨迹也不同。
8.2 常用加工方法前面已经提到，在生成轨迹前需要根据毛坯采取正确的加工方法，所以了解各种加工方法的区别是非常必要的。
本节将针对几种主要粗加工方法（区域式粗加工、等高线粗加工、扫描线粗加工、摆线式粗加工、插铣式粗加工、等壁厚粗加工、导动线粗加工）的加工参数分别进行讲解。
当然，实际生产中加工方式远远不止这些，如果对其他没有涉及到的加工方式感兴趣可以参考相关书籍。
其他参数的含义（切入切出、切削用量、下刀方式、刀具参数、加工边界）在不同的加工方法中基本相同，可参考本书第7章中的相关内容，这里不再复述。
选择加工方式可以通过单击“加工”主菜单下的子选项来实现，如图8-1所示。
第8章 仿真加工1378.2.1 区域式粗加工区域式粗加工是根据给定的轮廓和岛屿，生成分层的加工轨迹，如图8-2所示。
单击“加工”主菜单下的“粗加工”，选择“区域式粗加工”。
这时将会弹出“加工参数”设置对话框，如图8-3所示。
图8-1 选择加工方式CAXA制造工程师2006基础实例教程138图8-2 轮廓和岛屿图8-3 区域式粗加工设置第8章 仿真加工139【相关参数】 1．加工方向加工方向的设定有两种选择：顺铣或逆铣。
热模拟
一热模拟的原理物理模拟是指缩小或放大比例，或简化条件，或代用材料，用试验模拟来代替原型的研究。
对于材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助于某些实验装置再现材料在制备或热加工过程中的受热，或同时受热与受力的物理过程，充分而精确的暴露于揭示材料或构件在热加工过程中的组织与性能变化规律，评定或预测材料在制备或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技术依据。
材料现代物理模拟技术是一种高技术。
它融材料科学，传热学，力学，机械学，工程检测技术，电子模拟技术以及计算机领域的知识和技能为一体，构成了一个独特的，跨学科的专业领域。
二热模拟技术在研究焊接热裂纹方面的应用热模拟技术经过近三十年的试验研究，已经成为一种比较成熟的研究手段，可用于研究焊接热裂纹。
利用焊接热模拟技术，可以用于新合金的研制阶段，探讨合金产生裂纹的冶金过程，从而研究出焊接性能良好的材料，而且在常规实验的基础上，作为一种实验方案来推测材料的焊接性能。
三热塑性试验一般来说，焊接热裂纹发生在焊接过程的高温冷却阶段，由于金属的塑性变形能力不足以承受当时所发生的塑性变形而导致开裂。
因此，热模拟技术便被应用于测量金属的高温塑性，作为评价金属材料热裂纹敏感性的重要方法。
1 早期的研究早期的工作从1949年开始，Nippers等人把金属材料再加热过程中的塑性降低作为评定其裂纹敏感性和合理性选材的标准，用断面收缩率来表示热塑性。
1957年Nippers等人报道了他们对十七类34重金属材料所做的热塑性实验结果。
在这一时期的实验研究中，加热的峰值温度都定在加热时的零塑性温度点，虽然也对试样的强度进行测量，但并没有吧测量结果与实际的焊接性能联系起来。
2 热强度1963年，Williams 等人通过研究发现热强度的测量应当是裂纹敏感性试验的重要组成部分，热强度的恢复情况也是决定热裂纹敏感性的重要指标。
Solda 等人解释：虽然塑性在冷却过程中恢复缓慢，但强度恢复缺很迅速。
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铸造工艺 设计
打箱
钢水冶炼
浇注
去应力及均 匀化热处理
组织及力学 性能检测
精加工
差硬热处理
无损检测
粗加工
铸钢支承辊生产流程图
铸件和铸型的 几何造型
对铸件作网格剖分，离 散到所需的单元尺寸， 修正表面形状 边界条件与初始条件 求解能量、动量等 控制方程及缺陷预 测的各种判据函数
金属与铸型材料热物 性参数数据的输入
检验 粗加工
精加工
检验
零件
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。 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。要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（如缩孔、缩松、热裂等）减到 最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一切很难直接 观察到，间接测试也十分困难。
；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、 热裂；淬火中的 变形等常见缺陷的预防和消除方法的研究。
3） 重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究
数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟 的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在 热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精 确的基础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个专业 学科的研究人员通力合作才能有所突破。
美国金属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资助下，正在 开展并行工程环境下的RP2D(Rational Product/process Design) 技术。将铸造工艺模拟与产品、模具设计和加工结合起来。
(2) 与零件加工制造系统集成 在零件加工制造系统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并 朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一方向努力
4） 重视物理模拟及精确测试技术 物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核 数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。
5）工艺模拟与生产环节集成 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集 成，成为先进制造系统的重要组成部分。起初，工艺模拟多是 孤立进行的，结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小 批量毛坯件生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系 统中，实现以下三种不同方式的集成。 (1) 与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成
计算结果显示与分析
工艺是 否合理
否 修改工艺设计
是
确定工艺
铸造工艺自然冒口， 从底部到顶 部的顺序凝 固方式
整个工装有9m高，总 重约130吨。
整体铸造工艺装配图
应用计算机模拟技术进行工艺设计 设计冒口 •验证浇注系统设计是否合理 •设计铸型 •确定浇注工艺参数 •确定打箱时间
4. 微观组织模拟
随着铸件宏观凝固模拟技术的进一步完善，人们开始将目光转向 铸件微观组织的模拟。铸件微观组织是决定铸件产品最终质量的一个关 键因素, 它直接影响到铸件的使用性能。
微观组织模拟中的固液界面
纯金属：温度场，因过冷而长大，受潜热释放控制。 如果熔体温度低于平衡凝固温度，熔体产生过冷，如果此时有微 小固相质点或受到压力等干扰，凝固开始，固液界面向液相移动，同 时释放潜热，其移动驱动力是界面的过冷度，凝固界面移动存在固有 的不平衡性，如果一些界面周围过冷度大，生长快，凸起产生，直到 驱动力受到如表面张力、界面动力学效应等其他因素的平衡作用。 合金：浓度场，温度场。受潜热释放及溶质扩散控制 对于小于1的溶质平衡分配系数，溶质被排斥在界面附近，随着枝晶的
2.1 工艺初步设计及其计算机验证
2.1.1 计算机模拟方法设计冒口
模数法 传统冒口设计方法 比例法 补缩液量法 三次方程法
计算机模拟方法 计算无冒口铸 件的凝固过程 计算冒口
冒口计算结果
计算的高径比为1.5的冒口
计算的高径比为1的冒口
选用高径比 为1.5 冒口
2.1.2 浇注系统设计 控制浇注速度 控制浇注时间 控制金属液流入铸型时的线速度
缩孔深964mm
充型凝固后产生的缩孔
2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案
方案一：下辊颈金 属型直径2500mm. 方案二：下辊颈金 属型直径2167mm.
初始条件：浇注温度为1540℃，铸型 预热温度为150℃，铸件/铸型的界面 换热系数为1000W/m2 · K，剖分200万
方案一的装配图
传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错法(Test and Error Method)，无法对材料内部宏观、微观结构的 演化进行理想控制。
如三峡水电机组，单机容量达70万千瓦，五大部件(转轮 、蜗壳、主轴、座环、顶盖)的重量和尺寸均居世界第一。其 转轮直径达9.8米，重量达500吨，由于大件形大体重，品种 多，批量小，生产周期长，造价高，迫切要求“一次制造成 功”，一旦报废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。 总之，热加工工艺经历了从技艺→手册指导→专家系统的 过程，要达到更为完善的水平，必须进行过程/工艺模拟。因 为只有通过模拟仿真，人们才能认识过程的本质，预测并优 化过程的结果，并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工 艺的改变。
单元
(a) t=3745s
(b) t=7320s
(c) t=14471s
方案一温度场模拟结果
缩孔深 1046mm
方案一缩孔模拟结果
(a) t=3625s
(b) t=9013s
(c) t=16237s
方案二温度场模拟结果
缩孔深度 为948mm
优先选用第二种方案 金属型重量减轻20吨
方案二缩孔模拟结果
模拟目的主要是解释事物的本质，根据经验及凝固理论，推 测产生缺陷的位臵，并验证理论的正确性。工艺模拟可以做到 事前预测，防止缺陷发生。由于材料形成过程的复杂性，要真 正做到仿真还是有一定的距离。
2、宏观工艺过程模拟（以支承辊为例）
零件净重26吨
铸件：重40吨 φ1435mm×1615mm×4926 mm
(1) 解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题 铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、 连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊 锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等。
(2) 解决热加工件的缺陷消除问题 大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断
裂、起皱问题，铸件的热裂、气孔、偏析；大型锻件的混晶
热加工工艺过程
模拟与仿真
河南理工大学: 米国发 王狂飞 中科院金属所: 李 殿中 夏立军
报告内容
1. 意义 2. 工艺模拟 3. 工艺模拟研究方向 4. 微观组织模拟 5. 微观研究方向
6. 结论
1、意义
热加工是装备制造业的基础，热加工产品的质量和成本直 接影响着后道工序的产品质量和经济效益。
热加工
•辊身采用厚大金 属型+薄挂砂层 凝固速度最快，定向 向辊身凝固，圆弧处 快速建立起强度 获得柱状晶组织，提 高金属型使用寿命
金属型挂砂工艺
•上辊颈采用 厚的挂砂层
•自然保温冒口
保证顺序凝固
减少人为因 素的影响
2.1.4 铸型材料的选用
铸铁 金属型
铬铁矿砂
砂型
碱性酚醛树脂
锆英粉涂料
保温材料
保温板
发热覆盖剂
浇注系统的作用
铸件型腔
铸件型腔
直浇道 内浇道
直浇道 内浇道
横浇道
横浇道
开放式浇注系统
封闭式浇注系统
平稳充型浇注 系统
v控制充型过程的平稳性 v防止气体和夹杂物卷入金属液中 v提高工艺出品率
浇口杯
浇注系 统包括
直浇道 横浇道 内浇口
2.1.3 铸型设计
顺序凝固原则
•下辊颈采用厚大 金属型+薄挂砂层
计算机模拟预测缩孔位臵
2.4 生产实践
大型铸钢件实际浇注过程
铸钢支承辊毛皮粗检
轧辊的铸造毛坯
铸件整体表面质量完好,粗加
工后探伤内部没有缩孔缺陷
应力场模拟及热裂预测
铸造过程应力模拟的数学模型
•热弹性模型 •热弹塑性模型 •热粘弹塑性模型 •Heyn模型 •Perzyna模型 •内部统一变量模型 •准固相区间的流变学模型
（3) 与零件的安全可靠性能实现集成
美国西北大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果与铸 件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开发了铸件的安全临界设 计系统 (Safety critical casting design system) ，用于指导铸 件的损伤容限设计。
常用软件
• 经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件 • 主要有ProCast、Simulor、SolDIA、SolSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、ViewCAST、EForm、 AutoForge、SuperForge (体积塑性成形)、DYNA3D、 PAM-Stamp、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS 等。
模拟的初始条件：浇注 温度为 1540℃，铸型预 热 温 度 为 150℃, 剖 分 网 格数为100万单元。
带浇注系统铸钢支承辊
铸钢支承辊组装图
(a)t=2s
(c)t=565
(a)t=3s
流场模拟结果
2. 温度场模拟（计算机验证冒口设计是否合理）
(a)
(b)
(c)
(d)
温度场模拟结果
缩孔位臵模拟验 证初次工艺设计 思想是否合理
(b) t=13.5h
第一次浇注工艺的轴向应力模拟结果
两种工艺方 案的最大应 力相同，但 改进方案作 用时间短
(a) t=5h
(b) t=6.8h
改进工艺方案的轴向应力模拟结果
第一次浇注 工艺的热裂 倾向是改进 工艺的2.5倍