材料成型的数值模拟

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• 研究人员使用FLUENT软件分析的仿真数据，精确 定位运动员在水中身体的高磨擦区，通过CAE技术 寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置，然后 在该部位采用低磨擦材料进行设计。
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Felt赛车结构设计
• Felt赛车公司借助CFdesign设计出的自行车称为“ 从未见过的最具空气动力学特性的自行车”，并且 赢得了一系列世界重大赛事。
• 实验/解析法 相似理论法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ视塑性法
• 数值法
有限元法
有限差分法
边界元法
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什么是CAE？CAE是什么意思?
计算机辅助工程（CAE）是以工程和科学问题 为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。
– 一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分 析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。
材料成型数值模拟
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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
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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
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塑性加工研究的两类方法
• 金属塑性成形
面以上平面呈椭圆型，长轴为332.3m，短轴为
296.4m。主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合
屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由
48榀桁架与中间环梁构成，支承在周边24根组合柱
之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为68.5m，
最低点高度为42.8m。主桁架围绕屋盖中部的环梁
放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“
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塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔
• 变形行为的复杂性
变形机理的复杂性
变形金属材料性能的可变性
接触界面与摩擦作用
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塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法 工程法（Slab法，主应力法） 滑移线法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限单元法（UBET) 有限单元法（FEM,Finite Element Method）
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• CAE技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻 力的理想方案。运动员要求理想的泳衣实现水中运 动过程尽可能平滑和不受到干扰，通过采用 FLUENT数值分析，研究人员得到泳衣各部位的阻 力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使 运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。
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对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工 作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产 生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。
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。
– 另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简 单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了 低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的 设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时 CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展 ，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的 进步。
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型号：B2-pro 材料：碳纤维 重量：7.58Kg
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ANSYS在国家体育场设计中的应用
• 国家体育场是2008年第29届奥运会的主体育场，承
担奥运会开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为
25万m2。建筑的设计使用年限为100年，其“鸟巢
”结构将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地
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计算机模拟促进了热加工节能降耗 ——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究
初始坯料形状、不同型砧（平砧、 90°V砧和120ºV砧）倒棱后锻 件形状、以及120ºV砧滚圆后形状
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计算机模拟促进了热加工节能降耗 ——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究
及一定的工程实践经验，基础包括：
1. CAD/CAE/CAM的基础知识
2. 具有一定的有限元分析方法的理论知识
3. 锻造，冲压和焊接工艺基础及模具设计的理论
4. 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
鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混
凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全
脱开。
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CAE在焊接结构上的应用
MSC.MARC
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本课程学习基础及方法
应用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
6. 具备一定的计算机基本操作技能
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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
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应用现状
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计算机模拟促进了热加工工艺改进 ——大型船用曲轴锻造数值模拟研究
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计算机模拟促进了热加工工艺改进 ——大型船用曲轴锻造数值模拟研究
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
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• 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（模拟分析）最为重要。
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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。
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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%!