材料数值模拟——温度场模拟
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• 热加工工艺设计存在的问题
– 复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间 接测试也十分困难
– 建立在“经验”、“技艺”基础上
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 解决方法
– 热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下， 通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料 的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后 组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设 计
• 重视提高数值模拟的精度和速度 • 重视精确的基础数据获得与积累 • 与生产技术其他技术环节集成，成为先
进制造技术的重要组成
– 与产品设计系统集成 – 与零件加工制造系统集成
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
部分商业软件 • 铸造
– PROCAST, SIMULOR
• 锻压
– DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
• 等温面 • 等温线
.
热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：QFT x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n .
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• T：热力学温度（k） • C：辐射系数，C=C0, C0=5.67W/m2.K4
– 两物体之间热辐射交. 换：QR= C0(T14- T24)
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 时间内，沿X方向导入微元体的热量： Qx=qx ·dA·d= qx ·dy ·dz ·d 在d 时间内，沿X方向导出微元体的热量： Qx+ dX =qx+ dX ·dA·d= qx +dX ·dy ·dz ·d 在d 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
• 焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社， 1997
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 材料热加工
– 铸造：液态流动充型、凝固结晶等； – 锻压：固态流动变形、相变、再结晶等； – 焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经
历不同的热处理过程； – 热处理：相变、再结晶等； – 特点：复杂的物理、化学、冶金变化
材料加工过程的数值模拟
第二章：温度场数值模拟
.
教学目的
• 掌握基本的传热知识 • 了解热加工过程模拟的研究现状和发展
趋势 • 了解传热问题的数值计算方法 • 掌握实际热加工过程温度场数值模拟的
基本步骤
.
• 传热学
先修课程
• 高等数学
• 线性代数
• 数值分析
• 热加工基本理论
• 材料基础知识
.
参考书目
热量传递的三种基本形式/热对流
• 定义
– 运动的流体质点发生相对位移而引起的热转 移现象
• 遵循的定律
– 牛顿定律
– 公式： Q cac(TT0)F
.
热量传递的三种基本形式/热辐射
• 定义
– 物质受热后，内部原子震动而出现的一种电 磁波能量传递。
• 遵循定律
– 斯蒂芬-波尔兹曼定律
– 公式： Q cT4
= –d qx ·dy ·dz ·d 同理： dQy = –d qy ·dx ·dz ·d
dQz = –d qz ·dx ·dy ·d
.
导热的数学描述
微元体中总的积蓄热量：
dQ= dQx + dQy + dQz
= –(d qx ·dy ·dz ·d +d qy ·dx ·dz ·d
Байду номын сангаас
+ d qz ·dx ·dy ·d )
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
.
2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
• 热加工过程目的
– 获得一定的形状、尺寸、成分和组织 – 成为零件、毛坯、结构
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 热加工过程的结果
– 成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于 最佳状态
• 热加工工艺设计
– 根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺， 指导材料的热加工过程
• 铸件凝固过程数值模拟，陈海清等，重庆大学 出版社，1991（TG21-C4-2）
• 焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社， 1990（TG402-N74）
• 计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版 社，1993（TG248-C73）
• 计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版 社，1988（TK124-43-G91）
• 70年代（扩展）
• 更多的国家加入
• 扩展到锻压、焊接和热处理
• 80年代以后（迅速发展）
• 1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟 国际会议
• 1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会
• 目前（成为研究热点）
• 国家攀登计划
• 973基础研究计划
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
• 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
dq q x x x dx
dq q y y y dy
(qx x
qy y
qz z
)dxdydzd
dq q z z z dz
[ ]
T
T
T
x ( x ) y ( y ) z ( z ) dxdydzd
– 复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间 接测试也十分困难
– 建立在“经验”、“技艺”基础上
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 解决方法
– 热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下， 通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料 的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后 组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设 计
• 重视提高数值模拟的精度和速度 • 重视精确的基础数据获得与积累 • 与生产技术其他技术环节集成，成为先
进制造技术的重要组成
– 与产品设计系统集成 – 与零件加工制造系统集成
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
部分商业软件 • 铸造
– PROCAST, SIMULOR
• 锻压
– DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
• 等温面 • 等温线
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热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：QFT x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n .
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• T：热力学温度（k） • C：辐射系数，C=C0, C0=5.67W/m2.K4
– 两物体之间热辐射交. 换：QR= C0(T14- T24)
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 时间内，沿X方向导入微元体的热量： Qx=qx ·dA·d= qx ·dy ·dz ·d 在d 时间内，沿X方向导出微元体的热量： Qx+ dX =qx+ dX ·dA·d= qx +dX ·dy ·dz ·d 在d 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
• 焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社， 1997
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 材料热加工
– 铸造：液态流动充型、凝固结晶等； – 锻压：固态流动变形、相变、再结晶等； – 焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经
历不同的热处理过程； – 热处理：相变、再结晶等； – 特点：复杂的物理、化学、冶金变化
材料加工过程的数值模拟
第二章：温度场数值模拟
.
教学目的
• 掌握基本的传热知识 • 了解热加工过程模拟的研究现状和发展
趋势 • 了解传热问题的数值计算方法 • 掌握实际热加工过程温度场数值模拟的
基本步骤
.
• 传热学
先修课程
• 高等数学
• 线性代数
• 数值分析
• 热加工基本理论
• 材料基础知识
.
参考书目
热量传递的三种基本形式/热对流
• 定义
– 运动的流体质点发生相对位移而引起的热转 移现象
• 遵循的定律
– 牛顿定律
– 公式： Q cac(TT0)F
.
热量传递的三种基本形式/热辐射
• 定义
– 物质受热后，内部原子震动而出现的一种电 磁波能量传递。
• 遵循定律
– 斯蒂芬-波尔兹曼定律
– 公式： Q cT4
= –d qx ·dy ·dz ·d 同理： dQy = –d qy ·dx ·dz ·d
dQz = –d qz ·dx ·dy ·d
.
导热的数学描述
微元体中总的积蓄热量：
dQ= dQx + dQy + dQz
= –(d qx ·dy ·dz ·d +d qy ·dx ·dz ·d
Байду номын сангаас
+ d qz ·dx ·dy ·d )
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
.
2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
• 热加工过程目的
– 获得一定的形状、尺寸、成分和组织 – 成为零件、毛坯、结构
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 热加工过程的结果
– 成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于 最佳状态
• 热加工工艺设计
– 根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺， 指导材料的热加工过程
• 铸件凝固过程数值模拟，陈海清等，重庆大学 出版社，1991（TG21-C4-2）
• 焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社， 1990（TG402-N74）
• 计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版 社，1993（TG248-C73）
• 计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版 社，1988（TK124-43-G91）
• 70年代（扩展）
• 更多的国家加入
• 扩展到锻压、焊接和热处理
• 80年代以后（迅速发展）
• 1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟 国际会议
• 1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会
• 目前（成为研究热点）
• 国家攀登计划
• 973基础研究计划
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
.
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
• 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
dq q x x x dx
dq q y y y dy
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