加工过程的数值模拟作业
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
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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
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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
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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
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实例分析（后处理过程）
航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究
航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究是一个非常重要的领域，它可以帮助我们更好地理解航空整体结构件的切削加工过程，并且可以提高加工效率和质量。
在本文中，我们将探讨航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究的相关内容。
首先，我们需要了解航空整体结构件切削加工过程的基本原理。
航空整体结构件切削加工是指通过刀具对工件进行切削，以达到加工目的的一种加工方法。
在切削加工过程中，刀具与工件之间会产生摩擦力和切削力，这些力会影响加工过程的效率和质量。
因此，我们需要对这些力进行数值模拟和实验研究，以便更好地理解加工过程。
其次，我们需要了解航空整体结构件切削加工过程的数值模拟方法。
数值模拟是指通过计算机模拟加工过程中的各种力和变形情况，以便更好地理解加工过程的方法。
在航空整体结构件切削加工过程中，我们可以使用有限元分析法、计算流体力学方法等数值模拟方法，以便更好地理解加工过程中的各种力和变形情况。
最后，我们需要了解航空整体结构件切削加工过程的实验研究方法。
实验研究是指通过实验方法来研究加工过程中的各种力和变形情况的方法。
在航空整体结构件切削加工过程中，我们可以使用力传感器、位移传感器等实验方法来研究加工过程中的各种力和变形情况。
综上所述，航空整体结构件切削加工过程的数值模拟与实验研究是一个非常重要的领域，它可以帮助我们更好地理解加工过程中的各种力和变形情况，并且可以提高加工效率和质量。
在未来，我们需要继续深入研究这个领域，以便更好地应对航空整体结构件切削加工过程中的各种挑战。
食品加工过程中水分迁移的数值模拟
食品加工过程中水分迁移的数值模拟在食品加工过程中，水分迁移是一个重要的现象。
无论是蔬菜、水果、肉类还是面粉等，水分的含量和分布情况都会对其品质和口感产生影响。
因此，研究食品加工过程中水分迁移的数值模拟具有重要的理论和实际意义。
一、背景介绍食品加工过程中的水分迁移主要是指水分在食品中的传输和分布变化。
在烘烤、煮沸、蒸煮等过程中，食品中的水分会发生蒸发和扩散，导致其含水量的变化。
这些过程与食品的温度、湿度、成分等因素密切相关，因此需要通过数值模拟方法来准确地描述和预测水分迁移的过程。
二、数值模拟方法为了模拟食品加工过程中水分的迁移，我们可以采用计算流体动力学（CFD）方法。
通过建立数学模型和计算流量、质量、能量守恒方程，可以计算出食品中的水分扩散速率、蒸发速率等参数。
同时，还可以考虑食品的物理特性，如导热系数、热容量等，并将其纳入模型中进行计算。
三、模拟结果与实验验证为了验证数值模拟的准确性和可靠性，我们需要与实验结果进行比较。
可以通过调整模型中的参数，如食品的初始含水量、加工温度等，与实际的加工条件相吻合。
同时，在加工过程中，可以在食品中插入温湿度传感器，实时监测食品中的水分变化，并与数值模拟结果进行对比。
通过与实验结果的对比，我们可以评估数值模拟方法的准确性和可行性，并进一步改进模型的精度。
此外，还可以利用数值模拟方法，预测不同加工条件下水分的分布情况，为食品加工企业提供科学的生产指导和优化方案。
四、应用前景和挑战数值模拟食品加工过程中水分迁移的研究，在提高食品加工质量和效率方面具有广阔的应用前景。
通过合理利用模拟结果，可以优化加工流程，提高生产效率和节约能源。
同时，在食品贮藏和运输过程中，也可以通过数值模拟方法预测水分迁移的情况，从而制定合理的保存和包装措施。
然而，食品加工过程中水分迁移的数值模拟仍然面临一些挑战。
首先，食品本身的复杂性使得建立准确的数学模型变得困难，需要综合考虑多种因素的相互作用。
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。
食品加工过程的数值模拟与优化
食品加工过程的数值模拟与优化食品是人类赖以生存的基本需求之一，而食品加工则是让我们的食品更加丰富多彩，且容易储存和保持新鲜。
然而，食品加工过程中存在一些问题，如能源浪费、环境污染、营养损失等。
为了解决这些问题和不断提高食品加工的效率和品质，数值模拟和优化被应用于食品加工过程中，成为了一个研究前沿和热门话题。
一、食品加工过程的数值模拟在食品加工过程中，许多问题可以通过数值模拟来解决，如混合、加热、冷却、干燥等。
数值模拟是通过计算机模拟物理和化学过程来预测加工过程中的温度、流量、压力、质量等参数，使生产过程更加稳定和可控。
这种方法可以降低试错成本、增加产品质量、缩短产品上市时间。
目前，常用的数值模拟方法有流体模拟、有限元分析、多物理场模拟、离散元模拟等。
下面我们就以混合过程为例，详细介绍一下数值模拟的应用。
1. 流体模拟在食品加工过程中，流体运动经常影响到混合的效果。
比如，当混合槽中的液体受到搅拌器运动影响时，其流动会发生变化，而这种流动的特性对混合的影响也是不同的。
流体模拟就是一种将物理流体过程转化为计算机数学语言来求解的方法。
运用此方法可以准确计算流流场及物质输送情况等，有助于预测流体流动的变化、混合效率和质量等。
2. 有限元分析有限元法是一种计算数学工具，通过把复杂的物理模型分解成元素和节点，再对其进行离散化作为有限元，最终形成一个离散的代数方程集合，进而得到类似连续物理过程的分析结果。
有限元分析可以模拟材料的应力、应变、温度场、应力应变关系、热传导等，常用于材料的强度分析、热传导分析等。
利用有限元方法，可以优化混合槽的结构，降低能耗，提高混合品质。
3. 多物理场模拟多物理场模拟将多种物理过程交互检验，可用于解决多场耦合、多尺度、非线性和可变参数的问题。
其应用范围和复杂程度要比上述两种方法更宽泛和更复杂。
在食品加工领域，多物理场模拟已经被用于解决加热和冷却过程中的传热问题、营养成分损失问题等。
大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟
大型轴类锻件锻造工艺过程数值模拟大型轴类锻件的锻造工艺过程一般包括预留料、加热、锻造、冷却等阶段。
在进行数值模拟之前，需要先确定锻件的材料性能参数，包括应力-应变曲线、热膨胀系数、变形参数等。
这些参数对于模拟结果的准确性和可靠性非常重要。
首先，在进行数值模拟之前，需要进行几何建模。
根据锻件的实际几何形状，使用计算机辅助设计软件对锻件进行三维建模。
同时，还需要考虑到毛坯的材料损失，合理设计锻造余量以提供合适的余量补偿。
接下来，进行网格划分。
将几何模型导入数值模拟软件，进行网格划分。
网格划分的密度和精细度对于模拟结果的准确性和计算时间都有影响。
因此，需要根据实际情况，合理选择网格划分方案。
然后，确定边界条件。
根据锻造工艺过程中的实际条件，设置边界条件。
这包括锻造温度、锻造速度、初始应变速率等。
通过准确设置边界条件，可以模拟实际的锻造过程，并预测锻件的应力、应变和温度分布。
进行数值模拟计算。
将几何模型、网格和边界条件输入数值模拟软件，进行计算。
通过数值模拟软件提供的求解器，可以得到锻件在锻造过程中的应力、应变和温度分布，以及变形和残余应力情况。
对模拟结果进行分析和评估。
根据模拟结果，可以对锻造工艺过程进行分析和评估。
比较模拟结果与实际测量值的差异，评估数值模拟的准确性和可靠性。
如果模拟结果与实际值相符合，说明数值模拟是准确的，可以用于指导实际的锻造工艺过程。
最后，根据模拟结果，对锻造工艺过程进行优化。
通过数值模拟分析，可以确定合适的锻造参数和工艺措施，以提高锻件的质量和性能。
比如，可以优化锻造温度、加热速度、锻造速度等参数，使得锻件在锻造过程中的应力和应变分布更加均匀，减少变形和残余应力。
总之，大型轴类锻件锻造工艺过程的数值模拟可以帮助优化锻造工艺，提高锻件的质量和性能。
通过建立合理的几何模型、网格划分和边界条件，进行数值计算和分析，可以对锻造工艺过程进行预测、分析和评估，为实际生产提供指导和参考。
塑性加工中的数值模拟
铝合金挤压过程的数值模拟铝合金可以被视为一种粘性不可压缩非牛顿流体。
目前流体运动的描述方法可以分为拉格朗日描述(Lagrangian description)方法、欧拉描述(Eulerian description)方法和任意拉格朗日-欧拉描述(Arbitrary Lagrangian-Eulerian description)方法三种。
数值模拟计算方法中，根据离散方法的不同，主要可以分为有限差分方法（FDM）、有限元法（FEM）、有限体积法（FVM）等。
几十年来，有限元和有限体积法等数值模拟方法已被广泛应用于铝合金挤压过程的数值分析中。
众多的研究者利用数值方法对铝合金挤压过程进行了模拟研究，其中有限元法应用最为广泛，而有限体积法因其解决大变形问题的优势，也逐渐被引入到塑性成形领域。
1、6063铝合金半固态反挤压数值模拟利用有限元模拟技术，研究材料在半固态成形过程中的流场、温度场、应力应变场等分布规律，预测6063铝合金在成形过程中的充型行为、可能产生的缺陷和最佳工艺参数等信息，可为实际生产提供理论依据。
6063铝合金具有极佳的加工性能，是典型的挤压合金，被广泛应用于建筑型材等。
获得6063铝合金不同温度和应变速率下的应力-应变曲线后，采用有限元软件DEFORM-3D对合金半固态反挤压成形过程进行数值模拟，对主要工艺参数进行优化。
半固态反挤压过程的有限元力学模型见图1，变形体为圆柱体。
实验中所用的坯料、凸模和凹模均为轴对称，取其1/4进行模拟分析。
采用刚-粘塑性有限元法，采用图1有限元力学模型对半固态6063合金在不同工艺条件下的反挤压过程进行有限元模拟。
图1 反挤压力学模型及特征点位置数值模拟结果分析：（1）坯料变形过程及坯料成形中的速度场分布挤压模拟时取工件内部不同位置的5个点作为特征点跟踪，特征点位置见图1。
挤压过程中特征点位置坯料流动速度随时间的变化见图2。
在挤压变形过程中，材料受三向压应力作用，发生塑性变形的金属主要集中在坯料端部的外侧，且靠近上模型腔入口处的金属变形量为最大。
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。
食品加工过程中工艺参数优化的数值模拟研究
食品加工过程中工艺参数优化的数值模拟研究食品加工是指将农产品或其他食材通过一定的工艺加工方法，改变其形态、结构和性质，从而制成满足人们需求的食品产品。
在食品加工过程中，工艺参数的优化对于产品的质量和产量具有重要影响。
为了提高食品加工的效率和品质，利用数值模拟研究工艺参数优化已成为一种常见的方法。
数值模拟研究工艺参数优化的基础是建立食品加工过程的数学模型。
通过模型的建立，可以准确地描述食品材料在加工过程中的变化。
常见的数值模拟方法包括有限元方法、CFD模拟等。
以有限元方法为例，通过将食品工艺过程抽象为一系列的物理方程和边界条件，可以通过数值计算的方法求解出这些方程的数值解，从而得到食品加工过程中各个关键参数的数值分布情况。
在食品加工过程中，工艺参数的优化主要包括温度、湿度、时间、压力等因素的调控。
这些参数的优化可以通过数值模拟来实现。
以食品烘焙过程为例，烘焙温度是一个重要的工艺参数。
通过数值模拟，可以模拟出在不同温度下食品内部的温度分布情况，并通过数值优化方法，找到最佳的烘焙温度，以达到最佳的烘焙效果。
除了温度以外，湿度也是食品加工中一个重要的工艺参数。
以面点加工过程为例，湿度对于面团的黏性和口感具有重要影响。
通过数值模拟，可以模拟出面团在不同湿度下的流变行为，并通过数值优化方法，找到最佳的湿度范围，以使得面团具有最佳的加工性能和最佳的口感。
除了温度和湿度以外，时间也是食品加工中一个重要的工艺参数。
以发酵过程为例，发酵时间对于面包体积和口感都有显著影响。
通过数值模拟，可以模拟出发酵过程中面团中酵母微生物的生长情况，并通过数值优化方法，找到最佳的发酵时间，以使得面包具有最佳的体积和口感。
此外，压力也是食品加工中一个重要的工艺参数。
以食品加工过程中的挤出过程为例，通过数值模拟可以模拟出食品在不同压力下的挤出过程，并通过数值优化方法，找到最佳的挤出压力，以使得食品具有最佳的形状和质地。
综上所述，数值模拟研究工艺参数优化在食品加工中起到了重要的作用。
ProCAST数值模拟作业
ProCAST数值模拟作业ProCAST数值模拟作业前言数值模拟在一些成型工艺上的应用已经越来越广泛因为数值模拟能够对于成型过程进行很好的分析与观察这使得我们在真正生产中无法做到的我们可以应用这些数值模拟软件来进行成型过程在计算机中的在现从而找到成型过程中存在的缺陷以至于我们可以在真正的生产时达到我们所要的结果也能对很多在成型过程中所发生的一些不好的过程进行分析使得了解为何会发生这种现象还有对于有缺陷的工件进行一些修改在进行模拟以便达到最好的质量。
这些功能都是在数值模拟中能够得以完成的也正是这些模拟软件的发展使得我们在成型工艺的发展有了更大的进步也使得我们在生产时在经济上、工艺上、材料上、质量上等都有很大的作用。
ProCAST数值模拟作业一、零件的介绍 1、零件的选择我选的零件是一个法兰盘法兰盘是是管子与管子之间相互连接的零件用于管端之间的连接;也有用在设备进出口上的法兰是用于两个设备之间的连接。
法兰上有孔眼螺栓使两法兰紧连。
其链接方式主要是把两个管道、管件或器材先各自固定在一个法兰盘上两个法兰盘之间加上法兰垫用螺栓紧固在一起完成了连接。
法兰连接使用方便能够承受较大的压力。
在工业管道中法兰连接的使用十分广泛。
在家庭内管道直径小而且是低压看不见法兰连接。
如果在一个锅炉房或者生产现场到处都是法兰连接的管道和器材。
由于法兰盘需求量较大因而在工业上大部分采用铸造的方式来大量制造法兰盘。
2、零件的选材与图片选材主要是采用碳钢其工艺路线如（1）先将碳钢用中频电炉熔炼使钢水温度达到1300℃；（2）然后在室温中把钢水浇入砂型中；（3）保温一段时间；（4）等铸件冷到室温时脱模取出铸件。
等铸件取出后在进行一些精加工和攻螺纹等一些操作。
零件图片俯视图左侧等轴视图 3、设计浇注系统和冒口浇注系统主要由浇口、直浇道、横浇道组成浇道设计的大小设计的是直径为18mm的圆管而浇口这是直径为24mm的浇口冒口设计的是与上面的空心圆柱一样大的圆柱。
材料加工中的数值模拟方法 微观组织数值模拟
焊接过程模拟：利用数值模拟方法对焊接过程进行建模，研究焊接应力、变形和焊接缺陷等问题， 提高焊接质量和效率。
铸造过程模拟：通过数值模拟方法对铸造过程进行建模，预测铸件充型、凝固和冷却等过程，优 化铸造工艺和模具设计。
应用实例3：复合材料微观组织模 拟
材料加工中的微观组织 数值模拟方法
材料加工过程中微观组织变化规律
微观组织结构对 材料性能的影响
数值模拟方法在 材料加工中的应 用
微观组织变化规 律的模拟结果分 析
数值模拟方法在 材料加工中的优 势与局限性
材料加工过程中微观组织数值模拟方法应用
微观组织数值模拟方法概述 材料加工过程中微观组织演变规律 微观组织数值模拟方法在材料加工中的应用 案例分析：微观组织数值模拟在材料加工中的应用效果
数值模拟方法分类
有限元法
边界元法
有限差分法
有限体积法
数值模拟方法应用领域
机械制造领域 汽车工业领域 航空航天领域 能源与化工领域 电子与半导体领域 生物医学工程领域
材料加工中的数值模拟 方法
材料加工过程数值模拟方法
数值模拟方法的基 本原理
材料加工过程中的 数值模拟方法
数值模拟方法在材 料加工中的应用
微观组织数值模拟方法原理
微观组织数值模拟方法的基本原理 微观组织数值模拟方法的数学基础 微观组织数值模拟方法的物理基础 微观组织数值模拟方法的实现过程
微观组织数值模拟方法应用实例
微观组织模拟方法概述
应用实例2：陶瓷材料微观组织模 拟
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机械加工中切削过程的力学数值模拟方法
机械加工中切削过程的力学数值模拟方法机械加工是现代工业生产中不可或缺的一环，而切削是机械加工过程中最常见也是最重要的一种加工方式。
切削过程的力学数值模拟方法是研究切削过程的重要手段，可以帮助工程师更好地理解并优化切削过程。
本文将介绍机械加工中切削过程的力学数值模拟方法。
一、背景介绍切削过程是通过刀具对工件进行切削和去除材料的过程。
在切削过程中，刀具会受到来自工件的切削力和摩擦力的作用，同时还会有副切削力和后退力的影响。
了解切削过程中这些力的大小和方向对于优化切削过程、提高加工效率至关重要。
二、力学数值模拟方法1. 分析方法传统的力学数值模拟方法主要是采用有限元法。
有限元法可以将复杂的切削过程分解为一系列小的、简化的独立单元，通过求解数学模型，得出切削过程中各种力的大小、方向和分布情况。
它可以帮助工程师更好地理解切削过程中的力学变化。
2. 模型建立在进行力学数值模拟前，需要建立相应的切削力学模型。
这个模型需要考虑切削过程中的各种力的来源和作用方式。
例如，切削力可以分为主切削力、副切削力和后退力，它们分别对应着切削力矢量的不同分量。
模型的建立需要根据实际情况和切削理论进行合理的假设和简化。
3. 参数选择在进行力学数值模拟时，需要选择合适的参数来描述切削过程和材料特性。
例如，工件的材料力学性质、刀具的材料硬度和刀具的几何结构等。
这些参数的选择将直接影响到模型的准确度和模拟结果的可靠性。
4. 分析结果通过力学数值模拟，可以得到切削过程中各类力的大小、方向和分布情况。
这些结果可以帮助工程师更好地理解切削过程中力的变化规律，从而优化切削参数，提高加工效率。
例如，通过减小刀具和工件间的接触面积，可以降低切削力，减少能量的损耗和刀具的损耗。
三、应用案例力学数值模拟在机械加工中的应用已经日益广泛。
举个例子，对于铣削加工过程中的力学分析，通过建立合适的切削力学模型和选择适当的参数，可以模拟得到铣削力和切削温度分布情况。
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
塑性加工过程数值模拟(课程报告)
塑性加工过程数值模拟(课程报告)题目: 塑性加工过程数值模拟课程报告学院:班级：姓名：学号：塑性加工过程数值模拟课程报告1.塑性加工过程数值模拟概述1.1材料塑性加工的地位及分类从制造业的发展历史来看，主要有两类制造业：一个是加工制造业，一个是装备制造业。
制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术零件、装备的行业，是国民经济发展特别是工业发展的基础。
建立起强大的制造业，是提高中国综合国力，实现工业化的根本保证。
金属塑性加工是利用金属的塑性，使金属材料在外力的作用下成形的一种工艺方法。
塑性加工按照工艺可分为轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等。
塑性加工方法按照变形特征可分为体积成形和板料成形，体积成形是变形过程中三个方向的几何尺寸基本处于相同量级，同时三个方向的应力状态需要同时考虑。
如：锻造、轧制、挤压等工艺方法都属于体积成形。
板料成形“宽厚比”较大，厚度方向的尺寸较其它两个方向小得多，变形过程中可简化为平面应力状态。
如冲压、水压胀形等等，板料成形时金属的塑性变形并不一定很大，但与模具的相对位移较大，一般在室温下完成。
1.2材料塑性加工过程中的数值模拟目前传统的研究方法仍旧主要处于经验和知识为依据，以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。
现代市场经济要求实现塑性加工制件的内在质量和尺寸精度的稳定性需要提高，为实现该目标，必须提高塑性加工技术的科学化和可控化水平。
与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法已经不能满足实际需要，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已经成为大家的共识。
用模拟来代替正式的材料加工过程或其中的物理现象进行研究有很多的优点，比如节省运输费用和消耗、不打乱正常生产过程、可以灵活的控制和调节影响因素及其变化、准确测量实验数据等。
模拟优化的目的有：（1）提高产品的性能、质量；（2）降低消耗，降低成本；（3）提高效率；（4）揭示规律。
材料加工中的数值模拟方法-微观组织数值模拟(6)ppt课件
✓ 纯物质凝固相场模型的建立
温度场控 制方程
相场模型 参数确定
cp T t k TLf h (t)
h()
渐近分析
d0 a1
a1
a2
D
毛细长度
动力学系 数
平衡解分析
界面厚度 界面能
✓ 纯物质凝固相场模型的建立
g()2(12) P()3(62151)0
d d M t2 [ 2 2 W 2 A 1 1 2 ] 3 M T M A L 0 A T M A T 2 1 2
单相二元合金相场模型
自由能的构造 WBM相场模型 KKS相场模型
单相二元合金相场模型
自由能密度构造方法
从纯组元A和B的自由能入手
f,c,T1cfAcfB R m T(1c)ln(1c)clnc
c1c s 1p Lp
f A ( , T ) p ( ) f A L ( T ) ( 1 p ( ) f A S ) ( T ) W A g ( )
从液相和固相的自由能入手
f , c , T 1 c W A c W B g 1 p f S c , T p f L c , T
Interface kinetic coefficient
？？？ 渐近分析
尖锐界面模型
a1
a2
D
T D2T
t L f V n K T n s T n L TTMd~01 ~~
Note the details of a1 and a2 depend on the form of h(φ). See
cp T t JQ L f h (t) cp T t k TLf h (t)
机械加工过程中表面质量的数值模拟研究
机械加工过程中表面质量的数值模拟研究引言：机械加工是一项关键的制造工艺，其产出的产品在各个领域都扮演着重要的角色。
然而，在机械加工过程中，表面质量的问题一直是制造商们关注的焦点。
表面粗糙度、硬度和残余应力等指标直接影响着产品的质量和性能。
为了改善表面质量，科研人员们进行了大量的研究和实验，其中数值模拟研究因其高效和经济的特点受到了广泛的关注。
1. 数值模拟在机械加工中的应用数值模拟是通过使用计算机模拟并预测实际物理过程的一种方法。
在机械加工中，数值模拟可以帮助工程师理解材料的行为和加工过程的影响，以优化加工参数并改善表面质量。
例如，有限元分析可以模拟材料的变形、切削力和残余应力等因素，帮助工程师预测加工过程中的表面质量。
2. 数值模拟中的表面质量指标在机械加工过程中评估表面质量通常使用表面粗糙度、硬度和残余应力等指标。
表面粗糙度是衡量表面粗糙程度的指标，数值模拟可以帮助预测切削过程中的切痕形貌和表面粗糙度。
硬度是一个关键的机械性能指标，数值模拟可以模拟材料的变形和硬度分布。
残余应力是加工过程中产生的一种应力状态，数值模拟可以帮助预测残余应力的大小和分布。
3. 数值模拟中的切削过程模型在数值模拟中，切削过程模型是一个关键的研究内容。
切削过程模型可以描述刀具与工件之间的相互作用和材料的变形行为。
典型的切削过程模型包括切削力模型和材料变形模型。
切削力模型可以模拟材料去除过程中的力和力矩。
材料变形模型可以模拟材料的剪切和弹性变形。
通过将这些模型结合起来，可以更准确地预测切削过程中的表面质量。
4. 数值模拟在表面质量改善中的应用利用数值模拟可以帮助优化加工参数，改善表面质量。
例如，通过调整切削速度、进给速度和切削深度等参数，可以减小切削力和热影响区域。
此外，数值模拟还可以预测切削过程中的切痕形貌，从而选择合适的刀具和加工策略以改善表面质量。
结论：数值模拟在机械加工过程中表面质量的研究中发挥着重要的作用。
通过数值模拟可以更好地理解材料的行为和加工参数的影响，帮助优化加工策略以改善表面质量。
机械工程研究报告之机械加工过程的数值模拟与分析研究
机械工程研究报告之机械加工过程的数值模拟与分析研究摘要：本研究旨在通过数值模拟与分析研究，探讨机械加工过程中的关键参数对加工质量和效率的影响。
通过建立合理的数值模型，模拟机械加工过程中的各种物理现象和力学行为，为工程师提供优化加工工艺的参考依据。
本研究采用了有限元方法和计算流体力学方法，对机械加工过程中的切削力、温度分布、变形行为等进行了数值模拟与分析。
研究结果表明，合理选择切削参数和冷却液参数，可以显著提高加工质量和效率，降低加工成本。
1. 引言机械加工是制造业中一项重要的工艺，直接影响产品的质量和成本。
传统的试错方法在优化加工工艺中存在时间和成本高昂的问题。
因此，采用数值模拟与分析方法，可以有效地优化机械加工过程，提高加工效率和质量。
2. 数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，可以模拟材料的变形、应力分布等物理现象。
在机械加工过程中，有限元方法可以用于模拟切削力的分布、材料的变形行为等。
2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法可以模拟流体在机械加工过程中的流动行为，如冷却液的流动和温度分布。
通过模拟冷却液的流动和温度分布，可以优化冷却液的使用方式，提高加工效率。
3. 数值模拟与分析结果3.1 切削力分布通过有限元方法模拟切削过程中的切削力分布，可以分析不同切削参数对切削力的影响。
研究结果显示，切削深度和进给速度对切削力有着显著影响，合理选择切削参数可以降低切削力，减少刀具磨损。
3.2 温度分布计算流体力学方法可以模拟冷却液在机械加工过程中的流动行为，并分析温度分布。
研究结果表明，冷却液的喷射方式和流量对温度分布有着重要影响。
合理设计冷却液系统，可以降低加工温度，提高加工质量。
3.3 变形行为有限元方法可以模拟材料的变形行为，分析切削过程中的变形情况。
研究结果显示，切削速度和切削深度对材料的变形行为有着显著影响。
合理选择切削参数，可以减小材料的变形，提高加工精度。
4. 结论通过数值模拟与分析研究，本研究对机械加工过程中的关键参数进行了分析，并给出了优化加工工艺的建议。
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材料加工数值模拟论文专业：材料加工姓名：闫禹伯学号：2013432109目录第一章．铸造过程的数值模拟分析传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。
由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。
铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。
一．铸造过程数值模拟的发展现状计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。
计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。
就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。
铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。
特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。
如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。
目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。
上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。
作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。
二．数值模拟在铸造过程中的应用数值模拟的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。
铸件充型、凝固过程的计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于20世纪60年代，现已经进入了工程实用化阶段。
目前CAE商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。
目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。
（一）充型凝固模拟。
已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。
（二）缩孔缩松预测。
钢铸件的缩松判据可采用G／L，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。
铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。
（三）凝固过程应力模拟。
主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。
由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。
国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。
现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。
对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。
近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。
另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。
（四）凝固过程微观组织模拟。
微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。
近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之一。
这些方法虽能在一定程度上比较准确地模拟合金的凝固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。
目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。
场相法是研究直接微观模拟的热点，主要的模拟模型有三种：MonteCado(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型。
现有研究领域中球铁的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路。
三．铸造过程数值模拟在生产中的应用铸造CAE技术是根据设计出的铸造工艺对铸件进行充型和凝固模拟并将模拟结果进行可视化处理，预测铸件可能产生的缺陷。
目前，凝固过程的温度场模拟以及缩孔、缩松预测已经应用于实际的生产当中。
在充型、应力分析及微观组织等方面也取得了很大的进展随着铸件结构的日趋复杂化和大型化，对铸件的外在和内在质量要求也越来越高。
铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，已取得了很大的进展，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。
大量的商品化软件的出现及其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等；到目前为止，典型的商品化软件有Ansys、LS—DYN3D、Procast、ViewCast等。
铸造过程仿真模拟可以协助铸造工艺师改进工艺设计，提高铸件的质量。
长期以来铸造工艺设计师就有一愿望，即在浇注之前能够调试和改进工艺，直到所设计的工艺方法能获得高质量的铸件再进行实际浇注。
凝固模拟技术就有可能提供给铸造工艺设计师这样一个有力的工具，使其可以根据凝固模拟所显示的可能出现的缺陷和位置加以改进直至满意为止。
没有凝固模拟这样一个有力的工具，铸造工艺设计师就只能先试浇，浇注完之后根据铸件的具体情况加以改进设计，修改模型。
这样，不仅增加了试制费用而且延长了样件试制周期。
如果在正常生产线上试制有可能影响正常生产。
因此有的铸造厂专设了样件试制部门以保证样件的质量和进度，但除了对正常生产影响小以外，试制费用和样件试制周期无显著改进，而且还增加投资和费用。
铸造过程计算机模拟及优化技术可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力，是改善企业T(上市时间)、Q(质量)、C(成本)、s(服务)的必要手段，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。
铸造生产出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关，铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形象准确地描述这一复杂的变化过程，显示铸件凝固过程中所发生的温度变化和液固态变化，并预测出可能发生的缩孔、缩松等缺陷。
仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。
根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍、增加材料出品率25％、降低工程技术成本13～30、降低人工成本5～20、增加投入设备利用率30～60、缩短产品设计和试制周期3O～60等。
四．铸造过程的计算机模拟4.1铸件充型模拟铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷．如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，铸造过程计算机模拟能够较为准确的反映充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免铸造缺陷的形成具有重要的意义。
在铸造工艺设计中，我们可以直观地发现一些不合理的设计．并提出工艺改进．使铸件一次浇注成功。
4.2铸件凝固模拟铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都是在铸件凝固过程中形成，因而．比较精确的再现铸件的凝固过程．对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要。
铸造过程仿真模拟能够预测铸件的缩松和缩孔缺陷。
4.3疏松缺陷的预测Procast采用Niyama判据预测疏松．即疏松形成的条件为M=ArbGcLd当a=1；b=0；c=1；d=-0.5时；M=G／L〈临界值；判据中G为温度梯度，L为冷却速度，此处临界值取1．0，在凝固过程中因枝晶阻碍液体金属的流动而不能有效地补缩，容易产生疏松缺陷。
4.4模拟步骤(基于procast)1、创建模型：可以分别用IDEAS、UG、Pro/E、PATRAN、ANSYS等作为前处理软件创建模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式的文件。
2、MeshCAST：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。
3、PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.dat文件和xxp.dat文件。
4、DataCAST：检查模型及Precast中对模型的定义是否有错误，输出错误信息，如无错误，将所有模型的信息转化为二进制，生成xx.unf文件。
5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。
6、ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。
7、PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。
第二章．锻压过程的数值模拟数值模拟技术在金属塑性加工中的作用有两个方面:第一，在工艺设计和模具设计阶段可以对设计进行试运行，并找出设计中的错误，将实际生产中的工艺修定和模具修改降低到最小程度；第二，在产品制作中可以大幅度降低制作成本。
数值模拟技术可以将看不见的研究对象进行可视化处理，因此是金属塑性加工设计和研究的有力工具，其作用非常之大。
基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势，如适合于各种复杂的边界以及非线性问题等，在塑性加工领域获得了最广泛的应用。
其主要目的是用来优化工艺过程、提高质量、缩减产品的研发周期以降低成本及提高生产率。
一．研究背景锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。