华中科技大学材料学院材控1103班 组员：邓哲（组长）、李文、 王静、巴依哈那提、黄永楷 沙吾列提汗2011/12/15随着信息时代的到来，计算机已经在我们的世 界立足在材料成型及控制工程的专业应用 中.计算机更是立下汗马功劳焊接成型及控 制，铸造成型及控制，压力加工及控制，模具 设计与制造均需用到计算机其主要应用包 括.,模型设计、数据处理，模拟仿真，自动控 制计算机在■料成型及控制工程的应用专业概况：材料成型及控制工程是研究热加工改变材料的微观结 构、宏观性能和表面形状，研究热加工过程中的相关工艺因素对材料 的影响，解决成型工艺开发、成型设备、工艺优化的理论和方法；研 究模具设计理论及方法，研究模具制造中的材料、热处理、加工方法 等问题是国民经济发展的支柱产业材料成型及控制工程因其学科特色而与计算机结下不解之缘下 面就介绍一下计算机在该专业的一些典型应用模型设计：近几十年来，在汽车工业和航空工业的带动下，随着 塑性加工理论、数字化技术、优化技术和运筹学的发展，计算机技术 已逐渐用于解决金属塑性加工中的各种复杂问题，包括计算机辅助规 划(LAPP)、辅助设计(CAD)等方面这些计算机技术的成功应用，大 大促进了材料加工技术的快速发展。
例如，模具设计：1、将各组件产品图纸利用设计软件(CAD、PRO/E、UG、Mastercam> Solidworks 等，对一般结构简单的模具,CAD 软件又快又好用，对结构复杂，曲面较多的模具,PRO/E、UG、Mastercam、 Solidworks等都是较好分型软件和制造软件)设计出来，并进行组立 分析2、在产品分析之后所要进行的工作，对产品进行分析采用什 么样的模具结构(可借助计算机)，并对产品进行排工序，确定各工 序冲工内容，并利用设计软件进行产品展开，在产品展开时一般从后 续工程向前展开3、备料，依产品展开图进行备料，在图纸中确定 模板尺寸，包括各固定板、卸料板、凸凹模、镶件等在备料完成后 即可全面进入模具图的绘制，在备料图纸中再制一份出来，进行各组 件的绘制5、在以上图纸完成之后，其实还不能发行图纸，还需 对模具图纸进行校对，将所有配件组立，对每一块不同的模具板制作 不同的图层，并以同一基准如导柱孔等到进行模具组立分析，并将各 工序产品展开图套入组立图中，确保各模板孔位一致以及折弯位置的 上下模间隙配合是否正确在材料成型的设计当中，计算机的引入极大地减少了设计成本， 减少了设计错误，提高了设计效率，为快速高效的完成大型的复杂的 工程设计提供了可能。
数据处理：现有工程材料的种类繁多，其成分、结构、性能等构 成了庞大的信息系统目前已经建立了许多不同类型的材料数据库， 如合金、金属间化合物、高分子聚合物、陶器、玻璃、晶体、复合材 料等各种材料的物理、化学和物理化学性质、力学性能等方面的数据 库这些数据库在材料设计、合理选材等方面发挥了巨大作用例如，耐磨料磨损材料数据库系统(database system ofabras ive wear resistance materials):约 80 % 的零件失效是磨损引起 的，其中磨料磨损占50%以上多年来，国内对耐磨材料及相关 特征的研究已经积累了大量的经验和数据该数据库以磨料磨损工作 系统(ASWW )为基础，用可视化数据库编程语言Delphi设计耐磨料磨 损材料数据库系统(AWMDS)，在实现耐磨料磨损材料信息存储、管 理、查询功能的基础上，采用定量关系进行选材，从而对从事磨损研 究数据库系统构成：1磨料磨损工作系统(AWWS)将磨损过程中的诸多影响因素归纳整理建立磨料磨损工作系统（AWWS），磨料磨损工 作系统包括：磨料特性、耐磨材料、工作条件和检测手段.磨料是工 程研究的主要对象，不同特性的磨料在一定的工作条件下，所选择的 耐磨材料各不相同；工作条件是工作系统中的重要外部因素，对磨损 进程至关重要；检测手段对整个工作系统的具体情况进行测试及评 价.总之，磨料磨损工作系统是一个各因素相互联系、制约的有机整 体。
2考虑到整个系统材料种类、规格多，数量大，影响因素复杂等 特点，数据库结构设计采用面向对象，关系型动态数据库，按数据类 型，科学合理地设置各种类型的字段，便于分类存放，统一管理，提 高检索与查询速度.本系统将为用户查询耐磨料磨损材料的相关数据 提供友好的界面和快速准确的服务，并在此基础上为耐磨料磨损的选 材提供依据和帮助.故建立该系统的总体框架应以磨料磨损工作系统 为基础和出发点库内存储15个数据分库（磨损类型与特征分库，磨 料特性分库，耐磨材料分库，工作条件分库，检测手段分库，磨料磨 损典型零件分库、文摘分库、国标分库、科研单位分库、生产厂家分 库和经验关系分库等），34个数据表（磨料磨损数据表，磨料硬度表， 磨料磨损性能表等），这都将材料的工艺-组织-性能同时呈现给用户， 达到产品选材和工艺咨询的目的这些，可都是离不开计算机的模拟仿真：1、随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，材料和 工艺的计算机模拟近年来已成为国际上材料科学领域特别是高新技 术材料领域内的热门研究方向，并初步形成一门崭新的分支学科一一 计算材料学2、计算材料学的基本内涵是计算机材料设计或称材料 模拟，目的在于优化新型材料的设计方法；二是材料工艺的计算机模 拟或称过程模拟，旨在优化材料制品的性能和质量，降低生产成本。
计算材料学的发展成为连接材料科学基础研究与工程应用、微观与 宏观性能的桥梁，对未来材料研制将具有指导作用3、计算机模拟 能将材料的成分、工艺、结构、性能和使用性能一体设计有机地联系 起来，从而避免材料研制与应用的脱节下面介绍一下过程模拟（process simulation）： 1、用表示系统内 各装置特性的数学模型（物料平衡、热量平衡、热力学平衡和设备设 计方程等）以及表示各装置间结合关系的数学式，表示过程系统的特 性2、过程模拟有开式与控制式之分，前者是从过程输入求出各装 置的输出状态，后者是确定各装置的设计或操作条件以达到指定的过 程输入或输出3、计算方法分序贯模块式（占商用模拟系统的80%） 与联立方程式两大类（也有兼具二者的特点者），前者把一个装置的数 学模型作为一个模块，称为单元计算，模拟过程即追踪信息在模块间 的流动情况；后者是通过求解联立方程得到所需要的系统信息计算机模拟在材料成形加工中的应用材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察 利用计算机模拟材料成形过程，可预测产品的质量，减少试验次数;确定最佳的工艺流程，以达到某一特殊性能的要求;动态显示各个物 理量的演变历程和空间分布;提高劳动生产率。
目前，模拟仿真技术己能用在压力铸造、熔模铸造等精确成形加 工工艺中，而焊接过程的模拟仿真研究也取得了可喜的进展1液态成形的计算机模拟液态成形过程的计算机模拟已由形状尺寸的宏观模拟进入微观模拟阶段从1992年至今，开展了微观组织形态的计算机模拟， 获得了可重复的产品质量，实现了工艺的可视化〃液态金属充型过程的计算机模拟到目前为止，已研究出许多算法，如并行算法、三维有限单元法、 三维有限差分法、数值方法与解析方法混合的算法等充型过程的数 值模拟已出现了一些商品化的软件包，并在压力铸造、低压铸造、消 失模铸造等铸造方法中，在对实际铸件的缺陷分析和优化工艺等方面 得到了积极的应用今后充型模拟的研究发展趋势就是辅助设计浇注 系统1.2凝固过程的计算机模拟铸件凝固过程数值模拟的基本理论基础是傅里叶导热微分方程 数值模拟的基本方法主要是有限差分法、有限元法和边界元法.目前，缩孔、缩松定量预测的方法已经在铸造厂得以应用，并取 得了良好的经济效益如德阳中国二重集团铸造厂于2001年用计算 机模拟试制成功的长江三峡水轮机叶轮，结束了该件从加拿大进口 （价值960美元）的局面1.3应力场的计算机模拟铸件凝固过程应力场的分析模拟也是建立在传热学基础上的。
应 力分析采用的模型有热弹塑模型、热弹粘塑性模型、热弹性模型及弹 性、理想塑性模型等,采用的方法多为有限元法、有限体积法、控制 体积有限差分法等1.4凝固组织形成过程的计算机模拟凝固微观过程的模型化及其数值模拟是对铸件凝固组织的相形 态、晶粒度、枝晶间距等微观组织和微观缺陷形成过程的模拟，最终 达到预测铸件各部位组织和力学性能的目的以此为依据优化设计重 人件的铸造工艺，保证其内在质量和提高铸件的使用性能凝固过程组织数值模拟的主要模型有蒙特卡罗模型 (MonteCarlo)、相场模型和基于界面稳定性理论的，钻体生长模型2塑性成形的计算机模拟塑性成形过程的计算机模拟是在计算机上对金属塑性成形过程 进行实时跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个过程的技术，如 图1所示其目的在于通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变 和组织等进行仿真，实现对工艺过程、毛坯形状以及模具结构的优化 它能缩短研发周期，提高产品质量，延长模具寿命，降低生产成本 在国外，塑性成形数值模拟已成为某些大型企业新产品开发链条中不 可缺少的环节，同时数值模拟对优化已有产品的生产工艺同样具有重 要意义，如美国福特、通用汽车公司在开发新车型时，已将板材冲压 过程的数值模拟作为一个重要的技术环节;德国应用计算机模拟技术对质量为400t的核电转子锻件的锻造工艺进行校核、优化，确保了 一次制造成功。
—||工件儿何］后处理 系统应变场底力房］普11能司图i塑性成形过程计算机模拟流程当前塑性成形数值模拟面临的挑战是：在建立分析模型时输人准 确数据;进一步改进有限元软件;开发旨在提高计算效率的并行计算 系统;开发工艺设计专家系统;优化预锻型腔;培训高水平的操作人员现有模拟分析塑性成形的方法有切块法、滑移线法、上限法、有 限元法和边界元法等，其中以有限元法特别是刚性有限元法应用最为 广泛2.1数值模拟技术在塑性加工中的应用在塑性成形数值分析中应用最广泛、最有效、最具生命力的一种 方法就是有限元法有限元法分为静态隐式有限元法和动态显式有限 元法数值模拟技术已应用到体积成形、板料成形以及当前塑性成形的 前沿领域和镁、铝、等难变形轻合金的成形2.2人工智能在塑性加工中的应用人工智能也称机器智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学及语言学等多种学科互相交叉渗透而发展起来的一 门综合性学科近年来，智能化的研究成果己被成功地引入至金属塑 性加工领域板材冲压成形、旋压成形的智能化控制技术冷轧铝箔、带 钢以及棒材轧制的智能化控制技术、冷锻工艺设计的智能知识库系统 及神经网络系统，冲压连续模交互设计系统，弯曲工艺设计的专家系 统，热模锻工艺设计专家系统等方面的研究先后兴起并迅速发展。
3连接成形的计算机模拟连接成形的计算机模拟主要指对焊接工艺过程的计算机模拟，目 前研究的领域包括焊接热过程、焊接冶金过程、焊接热应力、残余应 力和变形的模拟目前，常用的焊接显微组织模拟的方法主要有4种:①经验法;② 统计方法;③组织形成的直接模拟方法;④基于物理状态变量法（内部 状态变量法）选用有效的方法将热场、应力场与显微组织场三场进行祸合，建 立反映真实焊接组织变化过程的模型，并且利用模型对焊接接头进行 性能预测，直接指导生产工艺，是今后显微组织模型的发展方向4展望计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连 接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料 成形领域计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使材料成形工 艺。