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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划材料热加工过程的数值模拟材料热加工拟实制造成形1热加工工艺模拟的研究方法及功能一、进行热加工工艺模拟主要有三种方法：1.数值模拟是最重要的研究方法。它通过能准确描述某一些热加工工艺过程的数理模型及对数理方程是简化求解，动态显示该工艺过程并预测过程的结果。依模拟对象及研究深度的不同，有一维、二维、三维之分；有宏观、中观、微观之分；可以是单一物理场，也可以是多种物理场的耦合。2.物理模拟是一种必要的辅助研究方法。它是按照相似原理，和相同或相似的材料制成试样，在相似的条件下进行试验，得出工
2、艺过程的有关规律和数据、判据，并检验、校核数值模拟的结果。3.专家系统是近几十年来人工智能领域研究开发出的计算机系统，它把有关领域的专家知识按一定的结构表示成计算机能够利用的形式以优化工艺参数和设计。它包括知识库、推理机构及人机接口三个核心部分。由于热加工影响因素十分复杂，所以它也是数值模拟的一个有效补充。二、热加工工艺模拟的功能1.动态模拟工艺过程形象地显示各种工艺的实施过程及材料形状、轮廓、尺寸、组织的演变情况。2.预测工件的组织性能质量预测在不同工艺条件下材料经成形改性制成毛坯零件后的组织性能质量，特别是能找出易发缺陷的成因及削除方法。3.优化工艺设计通过在虚拟条件下工艺参数的反复比较，
3、得出最优工艺方案。变传统工艺设计时优化工艺的途径为在计算机上修改构思的处理方法。2热加工数值模拟的主要内容数值模拟是热加工工艺模拟最重要的方法。它主要包括处理、模拟分析计算和后处理三部分内容。1.数值模拟的前处理前处理的任务是为数值模拟准备一个初始的计算环境及对象。主要包括：三维造型将模拟对象的几何形状及尺寸以数字化方式输入，成为模拟软件可以识别的格式。由于目前已有商品化造型软件推出，除特殊情况外，一般可采用商品化软件，如Pro-E、UG、I-DEAS；AutoCAD、Solidedge、Solidwork等作为模拟的软件平台，进行前处理。网格剖分按模拟的功能有精确度要求，将实体造型部分成一定
4、细度的单元。零件尺寸越小，模拟尺度越接近微观，则要求剖分的越细。2.模拟分析计算模拟分析计算是数值模拟的核心技术。按其功能，主要包括以下内容。宏观模拟仿真目的是模拟热加工过程中材料形状、轮廓、尺寸及宏观缺陷的演化过程及最终结果。为达到上述目的，需建立并求解以下一些物理场的数理方程。1）温度场。是进行热加工过程数值模拟最重要的物理场。可以直接预测铸件的凝固前沿及缩孔缩松的位置及大小，同时它也是其他所有物理场的计算基础。对传热过程来讲，其数理方程表达为下：多采用有限差分方法计算，可以求出在热加工过程中材料的温度变化及各点的温度分布。2）应力/应变场位移场。是建立在弹塑性力学基础上的物理场。主要用于
5、模拟金属的塑性成形过程及充不满、皱折、孔洞等缺陷的产生，同时可预测铸件、焊接件的应力分布及变形、裂纹等缺陷。一般采用有限元法求解。3）流动场压力场、速度场。建立在流体力学基础上的流动场，是模拟铸件充型过程的重要模型，用于预测铸件的冷隔、卷气、夹渣、冲砂等缺陷，优化浇注系统。微观组织及缺陷的模拟仿真目的是模拟热加工过程中材料微观组织及微观尺度的缺陷的演变过程及结果。描述微观组织及缺陷演变的模型主要有：1）随机统计模型。有MonteCarlo法和CellarAutomaton法，主要用于液固转变时晶粒组织形成及生长的模拟。2）相场方法。通过微分方程反映液-固转变时扩散、有序化势及热力学驱动力的综合
6、作用，可对金属液的凝固过程及组织的形成、生长进行真实的模拟。3）相变场。是模拟金属热处理中组织转变的数理模型。要综合考虑相变与温度、应力的相互关系及影响。4）特有缺陷预测模型。如描述热塑性加工过程晶粒度演变的动态再结晶模型、焊接过程局部氢浓度集聚扩散模型等。多种物理场的耦合计算要解决热加工实际问题，必须对上述各种物理场及方法进行局部或系统耦合。首先是宏观模拟层次中各种物理场的耦合，其中温度场是建立其他各种物理场的基础，常见的耦合有：温度场应力/应变场、温度场流动场。再次是把描述热加工过程宏观现象的连续方程与描述微观组织演变的模型进行耦合。如：温度场相变场、应力/应变场相变场、温度场统计模型、温
7、度场相场、温度场应力/应变场微观缺陷预测模型等多种宏、微观模型之间耦合。3.数值模拟的后处理后处理的任务是将数值模拟计算中取得的大量繁杂数据转化为用户可以看得见、并且可以看出工程含义、可以用于指导工艺分析的图形图像和三维过程动画，即动态可视化。3热加工工艺模拟技术发展趋势1.宏观中观微观材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟及微观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达到单个枝晶的尺度。2.单一分散耦合集成模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、相变场模拟普
8、通进入到耦合集成阶段，以真实模拟复杂的实际热加工过程。3.通用、共性专用、特性由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的常规热加工，特别是铸造、冲压、锻造工艺模拟技术的日益成熟及商业软件出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题，主要有以下两个方面：解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题如铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等。解决热加工件的缺陷消除问题应用模拟技术，已解决了大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问题，目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析、大型
9、锻件混晶；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、热裂；淬火中的变形等常见的缺陷的预防和消除方法的研究。4.重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当数值模拟的研究热点，为此非常重视热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得也积累等基础性研究。5.重视物理模拟及精确测试技术物理模拟是揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。有以下一些新的动向：1）应用高新技术，设计、开发新型物理模拟实验方法及装置。2）正确、合理处理数值模拟与物理模拟之间的关系一是根据模拟对象，合
10、理确定两者的应用比例；二是扬长避短，发挥两者的不同特长；三是高度重视基础数据的测试技术，包括工件及模具材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据。6.在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分起初，工艺模拟多是孤立进行的，其结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛坯生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系统中，实现以下三种不同方式的集成。西安交通大学“材料加工模拟与仿真”课程教学大纲英文名称：SimulationandNumericalAnalysisinMat
11、erialsProcessing课程编码：MATL4060学时：24学分：适用对象：材料科学与工程专业本科生先修课程：材料科学基础、材料制备与成形使用教材及参考书：陈立亮主编，材料加工CAD/CAM基础，机械工业出版社，XX年靳玉春主编，成型过程数值模拟，兵器工业出版社，XX年董湘怀主编，材料成形计算机模拟，机械工业出版社出版社，XX年张凯锋主编，材料热加工过程的数值模拟，哈尔滨工业大学，XX年牛济泰主编，材料和热加工领域的物理模拟技术，国防工业出版社出版社，1999年一、课程性质、目的和任务本课程是向材料专业材料加工方向的高年级本科生介绍现代计算机模拟和仿真技术在材料加工中应用的专业课程。通
12、过本课程的学习，使学生初步掌握模拟与仿真的概念，培养高级的材料加工研究专门人才。本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法；在培养学生的实践能力方面，着重计算机软件高级开发能力的基本训练。本课程将介绍材料热加工数值模拟的基本知识，包括基本理论、方法、应用等。重点介绍材料热加工中的温度场、应力应变场、流场以及扩散方面的数值模拟与仿真内容。二、教学基本要求通过本课程的学习使学生能了解和掌握材料加工模拟与仿真的基础理论和应用技术，为进一步深入学习及从事材料加工研究和应用打下良好的基础。三、教学内容及要求第一章：模拟与仿真的基本原理1.材料成形数值模拟概述2.有限差分方法介绍3.有限元方法介
13、绍第二章：材料加工温度场数值模拟1.温度场及传热的基本概念2.传热问题的数值计算3温度模拟在材料热加工中的应用第三章：材料热加工过程的应力应变场数值模拟1.材料热加工过程的固体应力应变数值分析的基本问题和基本方法2.弹性平面问题的有限元法3.弹塑性平面问题的有限元法4.热弹塑性有限单元法5大变形弹塑性有限单元法第四章：金属热成形过程流场数值模拟1.金属液充型过程数值模拟2.充型流动的数学模型及数植模拟的前处理3数学模型的离散4边界条件5数值稳定性条件6固相析出的处理第五章：金属中的扩散及扩散过程的数值模拟1.扩散的原子理论2.扩散过程的宏观描述3扩散系数的理论计算与实验测定方法4扩散方程的解及
14、浓度分布的数值模拟5扩散的一般性处理第六章：有限元分析的建模、软件平台及实例1.材料加工领域主流模拟软件2.基于ANSYS平台的有限元建模与分析3热弹塑性算例4流场算例四、实践环节1.弹性力学平面问题算例，1学时2.流场算例，1学时五、课内学时分配大纲制定者：蔡洪能执笔大纲审定者：潘希德大纲批准者：张建勋大纲校对者：吴志敏The6thInternationalConferenceonPhysicalandNumericalSimulationofMaterialsProcessing(ICPNSXX)第六届材料与热加工物理模拟及数值模拟国际学术会议(中文版、第二轮通知)会议背景：物理模拟及数值模拟是使材料科学研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁。物理模拟可以省时、省钱、高效地揭示新材料研制及其热加工过程中材料组织及性能的变化规律；数值模拟可以描述与设计诸多难以用实验方法去展示的科学问题。因此世界各国都非常重视物理模拟和数值模拟技术的开发与推广，并成为21世纪材料科学研究的主要方法和手段。自1990年以来，在中国机械工程学会、国家自然科学基金委、王宽城教育基金会、美国TMS协会、日本金属学会、美国动态科技联合体(DSI)以及国内外有关高校的支持下，在我国已连续五次举办了
