有限元分析
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❖ 将物理模拟和数值模拟结合，是材料加工及其理论研究的有力手段。
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述
物理模拟
❖ 因数值模拟方法在模拟体积成形时还不完善，有许多问题还未得到很好解决，如 三维模拟的实用化，复杂几何形状如模具型腔、焊缝等网格自动剖分技术，计算 量大等问题，所以数 值模拟不可能完全取代物理模拟。
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述 材料加工过程特点
材料加工过程伴随很大的弹塑性变形，并具有较强的非线性 ( 材料非线性、几 何非线性、边界非线性 ) ，以及复杂的边界条件，成形过程难于用数学关系式加以 描述，使得人们长期以来只能通过采取简化、假设,并借助于实验、经验数据、图 解和模型等将难以精确求解的数学力学问题变为实际工程问题，以求解一些重要的 变形参数,如力、应力、应变和温度等，这样就产生了各种近似程度和适用范围都 有所不同的近似分析和数值方法、经验/解析法和经验法等。
• 我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制 造；大件制造的关键又是热加工。我国在2015年以前， 水电、火电、核电、 冶金、矿山、石化、高速铁路等 重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求。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。由于传统的热加工 工艺设计只能凭经验，采用试错法，无法对材料宏观、 微观组织结构的演化进行理想控制，因而发生多次大 件报废的惨痛事故，投入使用的大件，也难以消除缩 孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷， 很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上的 热加工工艺设计技术，可以将“隐患”消灭在计算机 模拟的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功， 为国家创造巨大的经济和社会效益。
材料加工系
课程教学内容：
第一章 绪论 第二章 有限元法基本概念 第三章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法 第四章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
课程教学内容：
第一节 材料加工过程分析方法概述 第二节 材料加工过程有限元模拟材料加工过程分析方法
解析法
数值法
实验/解析法 经验法
主应力法、能量法、 有限差分法、上限单元法、 相似理论法、 试验技术法、
滑移线法、上限法 有限元法、边界元法
视塑性法
统计法
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述
数值模拟
应用数值分析方法来描述某过程的一些特性的变化情况，对材料加工而言，就是对变 形体中质点的流动规律和应力、应变分布等与成形过 程相关的物理量进行定量描述。
物理模拟
❖ 物理模拟是以相似理论为基础的实验分析方法 ❖ 塑性成形物理模拟一般包括两方面：( 1 ) 材料加工过程的物理化学现象和性能；
( 2 ) 材料加工过程中位移、应变和应力等力学、数学内容，主要研究不同的约束 条件、加载方式变形体内的应力、应变特征和材料流动规律等。
❖ 常用的方法有：( 1 ) 机械式的网格法、层状材料法等；( 2 ) 光学式的云纹法、光 塑性法、光敏涂层法、全息法等。
❖ 随着先进的计算机技术不断应用于物理模拟的控制与测试，物理模拟的水平也得 到极大的提高，模拟精度大大改善。
❖ 目前，物理模拟方法在欧美科研和企业界取得了引人注目的进展，而且在某些制 造领域内占主要地位，例如汽车行业内的大量冷锻 ( 冷挤压 ) 生产和近净形零件 精密成形都是以物理模拟为主进行分析。欧盟的许多塑性加工科研攻关项目都采 用物理模拟为主要手段，兼以数值模拟和实测实验。
• 研究内容：
• 对实际材料成形问题进行分析，优化工 艺方案，优化模具结构，精确成形，控 制质量
• 锻造过程模拟 • 铸造过程模拟 • 焊接过程模拟 • 热处理过程模拟 • 微观组织演变模拟(凝固、再结晶、相变)
• 研究方法： • 数值模拟法 • 有限单元法、有限体积法(差分法)
• 理论基础： • 弹塑性力学、流体力学
• 通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料 的加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、 性能和质量，进而实现加工工艺的优化设计。它将使 材料加工沿此方向由“经验”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，促进我国装备制造业的发展。
• 是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段，特别 对确保关键大件一次制造成功，具有重大的应用背景 和效益 。
数值模拟作用？
• 数值模拟在材料热加工领域的应用，将使材料加工由‘经验’走 向‘科学’，由‘定性’走向‘定量’，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 和重结晶以及应力应变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。
物理模拟
• ‘物理模拟’(Physical Simulation)： • 是指把实际物理模型按比例缩小或放大，
用试验模型来代替原实际物理模型，再 现材料在加工成形过程中形状的变化、 热、力等物理参量的变化以及微观组织 演变，从而揭示材料在热加工过程中的 组织与性能的变化规律，为合理制订加 工工艺和研制新材料提供理论指导和技 术依据。
什么叫做数值模拟？
• ‘数值模拟’(Numerical Simulation)：
• 是指用有限单元法、有限差分法以及其它 各类求解微分方程组的数值方法，或者利 用分子动力学、第一性原理等原子尺度的 数值方法来模拟实际的物理过程，从而获 得该物理过程中各类物理量的演变规律， 取得定量的物理参量。宏观层次可模拟材 料形状变化、速度、应力、应变和温度等 物理参量的变化，微观层次可模拟组织演 变、晶粒形核生长、相变、晶界运动、位 错运动等。
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述
物理模拟
❖ 因数值模拟方法在模拟体积成形时还不完善，有许多问题还未得到很好解决，如 三维模拟的实用化，复杂几何形状如模具型腔、焊缝等网格自动剖分技术，计算 量大等问题，所以数 值模拟不可能完全取代物理模拟。
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述 材料加工过程特点
材料加工过程伴随很大的弹塑性变形，并具有较强的非线性 ( 材料非线性、几 何非线性、边界非线性 ) ，以及复杂的边界条件，成形过程难于用数学关系式加以 描述，使得人们长期以来只能通过采取简化、假设,并借助于实验、经验数据、图 解和模型等将难以精确求解的数学力学问题变为实际工程问题，以求解一些重要的 变形参数,如力、应力、应变和温度等，这样就产生了各种近似程度和适用范围都 有所不同的近似分析和数值方法、经验/解析法和经验法等。
• 我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制 造；大件制造的关键又是热加工。我国在2015年以前， 水电、火电、核电、 冶金、矿山、石化、高速铁路等 重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求。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。由于传统的热加工 工艺设计只能凭经验，采用试错法，无法对材料宏观、 微观组织结构的演化进行理想控制，因而发生多次大 件报废的惨痛事故，投入使用的大件，也难以消除缩 孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷， 很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上的 热加工工艺设计技术，可以将“隐患”消灭在计算机 模拟的反复比较中，从而确保关键大件一次制造成功， 为国家创造巨大的经济和社会效益。
材料加工系
课程教学内容：
第一章 绪论 第二章 有限元法基本概念 第三章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法 第四章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
课程教学内容：
第一节 材料加工过程分析方法概述 第二节 材料加工过程有限元模拟材料加工过程分析方法
解析法
数值法
实验/解析法 经验法
主应力法、能量法、 有限差分法、上限单元法、 相似理论法、 试验技术法、
滑移线法、上限法 有限元法、边界元法
视塑性法
统计法
材料加工过程 数值模拟基础
第一章 绪 论
§1.1 材料加工过程分析方法概述
一、材料加工过程分析方法概述
数值模拟
应用数值分析方法来描述某过程的一些特性的变化情况，对材料加工而言，就是对变 形体中质点的流动规律和应力、应变分布等与成形过 程相关的物理量进行定量描述。
物理模拟
❖ 物理模拟是以相似理论为基础的实验分析方法 ❖ 塑性成形物理模拟一般包括两方面：( 1 ) 材料加工过程的物理化学现象和性能；
( 2 ) 材料加工过程中位移、应变和应力等力学、数学内容，主要研究不同的约束 条件、加载方式变形体内的应力、应变特征和材料流动规律等。
❖ 常用的方法有：( 1 ) 机械式的网格法、层状材料法等；( 2 ) 光学式的云纹法、光 塑性法、光敏涂层法、全息法等。
❖ 随着先进的计算机技术不断应用于物理模拟的控制与测试，物理模拟的水平也得 到极大的提高，模拟精度大大改善。
❖ 目前，物理模拟方法在欧美科研和企业界取得了引人注目的进展，而且在某些制 造领域内占主要地位，例如汽车行业内的大量冷锻 ( 冷挤压 ) 生产和近净形零件 精密成形都是以物理模拟为主进行分析。欧盟的许多塑性加工科研攻关项目都采 用物理模拟为主要手段，兼以数值模拟和实测实验。
• 研究内容：
• 对实际材料成形问题进行分析，优化工 艺方案，优化模具结构，精确成形，控 制质量
• 锻造过程模拟 • 铸造过程模拟 • 焊接过程模拟 • 热处理过程模拟 • 微观组织演变模拟(凝固、再结晶、相变)
• 研究方法： • 数值模拟法 • 有限单元法、有限体积法(差分法)
• 理论基础： • 弹塑性力学、流体力学
• 通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料 的加工过程，预测实际工艺条件下材料的最后组织、 性能和质量，进而实现加工工艺的优化设计。它将使 材料加工沿此方向由“经验”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，促进我国装备制造业的发展。
• 是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段，特别 对确保关键大件一次制造成功，具有重大的应用背景 和效益 。
数值模拟作用？
• 数值模拟在材料热加工领域的应用，将使材料加工由‘经验’走 向‘科学’，由‘定性’走向‘定量’，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 和重结晶以及应力应变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。
物理模拟
• ‘物理模拟’(Physical Simulation)： • 是指把实际物理模型按比例缩小或放大，
用试验模型来代替原实际物理模型，再 现材料在加工成形过程中形状的变化、 热、力等物理参量的变化以及微观组织 演变，从而揭示材料在热加工过程中的 组织与性能的变化规律，为合理制订加 工工艺和研制新材料提供理论指导和技 术依据。
什么叫做数值模拟？
• ‘数值模拟’(Numerical Simulation)：
• 是指用有限单元法、有限差分法以及其它 各类求解微分方程组的数值方法，或者利 用分子动力学、第一性原理等原子尺度的 数值方法来模拟实际的物理过程，从而获 得该物理过程中各类物理量的演变规律， 取得定量的物理参量。宏观层次可模拟材 料形状变化、速度、应力、应变和温度等 物理参量的变化，微观层次可模拟组织演 变、晶粒形核生长、相变、晶界运动、位 错运动等。