材料加工数值模拟复习题部分答案

复习题(以下问题用中英文回答均可) 1.简述“材料”、“材料加工”、“材料加工数值模拟”三个概念的含义，并分别举例说明。

材料:材料是人类用于制造、器件、构件、机器或其他产品的那些物质

材料加工：采用铸造、锻压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，又称为材料成型。

材料加工数值模拟：数值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

材料成型问题中工件和模具的温度场、速度场、应力场等，据此预测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷；同时利用计算机图形技术将分析结果直观、动态地呈现出来，使研究设计人员能通过这一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。

2.简要说明材料加工数值模拟的发展趋势。

(1)研究对象尺度微观化

(2)模拟功能集成化（数值模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织

场模拟普遍进入到耦合集成阶段）

(3)模拟目的专门化（从共性、通用到专用特性）

(4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究

（5）重视物理模拟与精确测试技术

（6）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

（7）以商业软件为基础，改进提高研究与普及应用相结合

3.定义或描述热传输的三种基本形式，并举出实例。

(1)导热：热传导是由于温度不同，在导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。温差越大，自由电子的移动越激烈。

(2)对流：热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。它是利用不同温度的质点密度不同来传热，在流体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来补充，这样一个周而复始的过程，即所谓对流。

（3）辐射：热辐射是物体受热后，内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。

举例：凝固前后，高温金属----型砂空隙和大气，辐射传热；

浇注时及凝固前，液体金属内部、铸型----大气，对流传热；

凝固前后，金属内部、高温金属----铸型、铸型材料内部，传导传热。（生活

中有很多例子，可以多想几个O(∩_∩)O）

4.写出傅立叶热传导定律的数学表达式，写出对流换热基本公式、辐射换热基本公式，

并解释说明公式中符号所代表的物理量。

傅利叶热传导定律（单向稳态方程）：q = k （dT/dx）

k-导热系数，thermal conductivity，单位：W/mK；

q-热流密度或热通量，heat flux，单位：W/m2；

dT/dx-温度梯度，temperature gradient，单位：K/m;

对流计算基本公式（牛顿定律）：

5.熟悉基本热传输相关内容的课堂例题及其准确解法。（自力更生看课件吧）

6.什么是铸造举出三种以上常用的铸造类型。

熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。

1. Sand casting

2. Shell-mould casting

3. Permanent-mould casting

4. Die casting

5. Centrifugal casting

6. Plaster mould casting

7. Investment casting（课件上的）

砂型铸造，金属型铸造，消失模铸造，压力铸造，熔模铸造等。

7.写出或示意画出普通（砂型）铸造过程的工艺流程。

材料成型工艺学上找的

课件

8.画出纯金属铸造过程的凝固冷却曲线并标注说明各冷却段。

9.举例说明三种以上常见的铸造缺陷并简要分析形成原因。

10.说明数值模拟应用到铸造过程意义，简要说明铸造过程数值模拟的一般步骤。

意义：优化生产工艺（Riser/Chill, Gating System,

Venting, Filter)

预测与控制铸造缺陷（凝固缺陷、流动缺陷、变形、冷隔、宏观偏析)

预测与控制铸件的机械性能（组织模拟、组织和机械性能的关系）

步骤：

Select Materials and Properties

Build Casting/Mold Model

Mesh Model/Run Simulation

Evaluate Results

Modify and Re-simulate

11.举出两种分别利用有限差分（FDM）和有限元（FEM）技术开发的铸造模拟软件，并简

要说明这两种软件的特点及FDM和FEM技术运用到铸造过程中的差别。

FDM：JSCAST是一款非常实用的铸造模拟软件，专业性强，操作界面设计简洁，中文界面和指导说明，学习简单，操作方便。

适用于各种铸造工艺，对熔融金属在铸型内的流动，充填，冷却，凝固等过程进行数值模拟的计算机系统．在计算机屏幕上可实现对铸造工艺的科学评价

JSCAST在考虑背压的流动解析时，具有明显优势。不但计算速度快，而且卷气缺陷预测精度高。

FEM：ProCAST是一款综合性较强的铸造模拟软件。预处理部分灵活性较高，后处理部分功能强大，可以对流动、凝固、缺陷等做进一步分析和灵活的显示，但操作起来比较复杂，对操作者素质要求较高。

特点：

采用有限元分析技术(FEM)–能更精确地进行几何描述和对铸造过程进行分析

能进行二维和三维分析

能模拟所有的铸造过程和所有合金

方便地输入各种CAD 数据

–接受数据类型: ParaSolids, STEP, IGES 和STL 格式

–可选模块：UG, CATIA, ASCI, VDA数据格式

友好一致的用户界面，各模块高度集成

广泛的应用平台（课件上的）

ProCAST采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法与有限差分(FDM)相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成形过程中的各种物理现象。有限元法的优点可以归纳如下：

①好的几何描述能力。FEM可以精确描述曲面，而FDM只能以阶梯形简化描述曲面。

②建模过程中如需局部网格细化，有限元网格无须像有限差分法那样把细化影响到整修模型，这样使FEM的单元和节点数明显少于FDM。

③以弹性、弹塑性、弹粘塑性模型进行应力和热的耦合分析时，只能采用有限元法。有限差分法由于网格不能变形而不能进行应力分析。

④在处理和充型方向相平行的曲面时，由于有限元法能够精确描述曲面边界，因而能准确模拟铸件充型的流场；而有限差分法在描述铸件曲面边界时，由于断面成锯齿状而造成较大的偏差。

⑤在精确处理辐射传热问题时，视角系数和阴影效果的计算，要求准确地描

述外表面及相应方位。因此，FDM无法处理复杂的辐射问题。（基本上是在网上找的）

12.画出钢坯连铸过程示意图，标出主要部分，并简述何为连续铸造。

连续铸造是一项把液态金属直接浇注成型的工艺。如图所示，熔化好的钢液由钢包经中间包进入水冷结晶器内，钢液在结晶器壁的冷却作用下形成凝固壳，结晶器下方的牵引辊等拉坯装置以与浇注金属液量匹配的速度拉动已形成凝固壳的注流向下运动，从