材料成型过程数值模拟

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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
2、计算机辅助设计CAD和集成制造系统CIMS
CAD 技术的发展趋势 • 集成化 以三维造型为基础的CAD/CAM/CAPP/CAE
的集成是未来产品开发的主要模式。
CAD+CAM+CAPP+CAE→CIMS • 智能化 将人类智能与人工智能融为一体，实现人机一
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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。
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第1章 绪 论
二、热加工过程研究对象及其传热学问题
1、热加工过程 液态成型(铸造) 固态成型(金属压力加工、锻造) 连接成型(焊接) 热处理
总之，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，这一过程又称为材料成形。
热加工的复杂性：温度高、瞬时性、动态性。
它有别于管理信息系统MIS (Management Information System) 及产品数据管理PDA (Product Data Management)
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第1章 绪 论
市场 CAD
人事
计划
技术 应用 …… 财务
CAE CAM CAPP
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第1章 绪 论
数值模拟方法的基本特点是将微分方程边 值问题的求解域进行离散化，将原来欲求得 在求解域内处处满足场方程，在边界上处处 满足边界条件的解析解的要求降低为求得在 给定的离散点(节点)上满足由场方程和边界 条件所导出的一组 代数方程的数值解。这 样，就使一个接续的、无限自由度问题变成 离散的、有限自由度问题。
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传感器
生产过程
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
3、计算机检测与控制系统 在热加工领域的应用
• 冲天炉熔炼的计算机检测与控制。配料、风量、水量、温度 • 金属液质量的炉前快速检测及数据处理。成分测定、温度
、共晶度、孕育效果、力学性能
• 铸件成形过程的计算机检测与控制。金属液流动性检测、
铸型性能检测、造型线主辅机工作状态监控
• 产品质量的计算机检测。铸、焊、锻件内部质量检测 • 型砂性能及砂处理过程的计算机检测与控制。 • 焊接过程的自动控制。 • 压力成形过程的自动控制。
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总之 ，高质量、高效率的高度集成的数值模拟系统并行 工程的可靠而有效的保证，也是发展虚拟制造技术的关键 之一，它将会促进21世纪的材料加工技术得到更大的发展。
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企业信息 处理系统
Internet Intranet
CIMS 部门1 部门2 部门3 部门4 …… 部门n
企业信息处理系统
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
2、计算机辅助设计CAD和集成制造系统CIMS
CAD (Computer Aided Design) CAM (Computer Aided Manufacturing) CAE (Computer Aided Engineering) CAPP (Computer Aided Process Planning) CIMS (Computer Integrated Manufacturing System)
体化设计。
• 网络化或协同化
• 柔性化
• 绿色化
• 虚拟化
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
3、计算机检测与控制系统
计算机 I/O接口 D/A转换器 输出信号放大器 执行机构
A/D转换器 输入信号放大器
计算机检测与控制系统的未来： 在线化 集成化 智能化 远程化
本课程和体系结构和内容
1．绪论 2．传热学基础知识 3．热传导问题的数值解法 4． 凝固过程的数值模拟 5． 焊接热过程数值模拟 6． 淬火过程数值模拟
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第1章 绪 论
一、材料成形数值模概述
广义地说，材料加工是人类利用自然，创造有用产品的一 种基本的生产活动，它将贯穿于人类的全部历史。
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第1章 绪 论
材料成型数值模拟方法的主要内容是： 前处理、模拟分析计算和后处理三部分。
前处理：实体造型、网格剖分 模拟分析计算：宏观模拟、微观组织模拟及 缺陷模拟、多种物理场的耦合计算 后处理：模拟结果的可视化处理
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第1章 绪 论
2、传热学问题
稳态与非稳态 导热温度场
相变潜热 研究与计算
铸件凝固过程
变系数导热
较复杂几何 形状的物体导热
材料科学与工程中 的传热学问题
高能密度加热 的研究
计算机的应用
数值计算 传热学
数学模型 仿真技术
相似原理 实验及数 据处理
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
4、人工智能与专家系统AI (Artificial Intelligence) 应用
• 设计类 生产车间总体布局、设备选择和人员配备、原 辅材料选择、最佳方案选择、实验设计、模具设计
• 制造类 设备制造、模具制造 • 诊断预测类 产品内、外部缺陷及质量分析 • 监督类 型砂质量控制、熔炼过程控制 • 规划类 制定生产计划 • 教学类 计算机辅助教学系统
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
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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。
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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
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狭义地说，材料加工，主要是指现代金属材料的加工，即 采用铸造、锻压、焊接、热处理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，这一 过程又称为材料成形。在现代制造业中，材料成形是生产 各种零件或零件毛坯的主要方法。
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第1章 绪 论
五、材料成型过程数值模拟研究的发展趋势 要求：高质量、低成本、短周期。
1、并行工程，要求高质量、高效率的高度集成的数值模 拟系统。计算机硬件、计算速度的方法。
2、高度集成，包括图形系统、数据传输程序、前处理系 统、模拟分析系统、后处理系统、数据库管理系统。模拟 分析系统也是多种物理场模拟的集成，如流场、温度场、 应力场、相场的耦合；应力/应变场、温度场、相场耦合 的模拟系统等。
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第1章 绪 论
材料成形过程的基本规律可以用一组微分方程来描
述，例如流动方程、热传导方程，平衡方程或运动
方程等，这些方程在所讨论的问题中常常称为场方
程或控制方程。在《材料成形原理》这本书中，对 这些方程进行了详细的阐述。为了分析一个具体的 材料成形问题，除了要给出具有普遍意义的场方程 以外，还要给出由该问题的特点所决定的定解条件 ，其中包括边值条件和初值条件。这样就把材料成 形问题抽象为一个微分方程(组)的边值问题。
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第1章 绪 论
数值模拟方法可以分为两大类： 1、有限差分法 2、有限元法
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第1章 绪 论
有限差分法以差分代替微分，将求解对象 在时间与空间上进行离散，对每个离散单元 进行各种物理场分析(如温度场、流动场及应 力场等)，然后将所有单元的求解结果汇总， 得到整个求解对象在不同时刻的行为变化， 并对分析对象的可能变化(发展)趋势作出预 测。有限差分法具有求解过程简单、速度快 、前后最处理易于实现等优点。
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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 数值模拟是指利用一组控制方程(代数或微分方程)来描述 一个过程的基本参数变化关系，采用数值计算的方法求解， 以获得该过程(或一个过程的某一方面)的定量认识，及对 过程进行动态模拟分析，在此基础上判断工艺或方案的优 劣、预测缺陷、优化工艺等。 材料成型(包括铸造、塑性加工、焊接、热处理)是一个涉 及物理、流体、传热、冶金、力学等因素的复杂过程。
ຫໍສະໝຸດ Baidu焊接传热学
冷却介质 方法研究
对流传热
在炉内传热的数 学模型建立计算
数据库技术 应用
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
1、企业信息处理系统IPS (Information Processing
System)
包括市场营销、物料进出、生产组织与协调、行政管理 、与外界的信息交换等。热加工领域信息处理技术研究、开 发与应用处于起步阶段。
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第1章 绪 论
采用模拟技术，能在材料成形工艺设计和模 具设计初步方案完成后立即对其进行检验， 寻求可行的甚至最优的设计方案，然后再完 成详细设计并进行模具制造。这样，在新产 品开发时，就能使得产品设计、工装模具设 计和制造等相关工作同时展开，即实现并行 工程，达到降低成本、提高质量、缩短产品 交货期的目的。
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第1章 绪 论
有限元法的特点是将求解域离散为一组有限 个形状简单且仅在节点处相互连接的单元的 集合体，在每个单元内用一个满足一定要求 的插值函数描述基本未知量在其中的分布。 随着单元尺寸的缩小，近似的数值解将越来 越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和 变动的边界。
第1章 绪 论
计算机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形问题中工件和模具的 速度场 (位移场)、应变场、应力场、温度场等， 据此预测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺 陷；利用计算机图形技术将这些分析结果直观地、 动态地呈现在研究设计人员面前，使他们能通过这 个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，正确选用机器设备和 模具材料。
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第1章 绪 论
计算机数值模拟在各行业中应用
2）焊接：
焊接的热传导分析
焊接熔池流体力学和传热分析
电弧物理
焊接冶金和焊接接头组织性能的测定
焊接应力与变形
焊接过程中的氢扩散
特殊焊接过程的数值分析，如电阻焊、激光焊、摩擦焊
焊接接头的力学行为
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