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1、长江大学材料成型及控制工程专业关于数值模拟在材料中的应用及意义论文班级：材料 11302学号：姓名： 序号：35目录摘要1关键字1第一章 材料成型数值模拟简介1.1数值模拟概念11.2数值模拟方法的基本特点11.3 材料成型数值模拟方法的主要内容11.4数值模拟方法分类11.5材料成型过程数值模拟研究的发展趋势2第二章计算机数值模拟在材料成型领域中的应用3第三章 材料成型过程数值模拟研究的意义3.1采用模拟技术的原因43.2采用模拟技术的意义5参考文献5摘要：计算机模拟技术在材料设计领域中应用日益广泛，综述了计算机模拟在材料中的应用，介绍了材料科学中计算机模拟技术在材料 成型中应用的原因及意义
2、。关键字：计算机模拟 ；模拟方法； 应用 ；发展趋势。第一章 材料成型数值模拟简介1.1 数值模拟概念数值模拟是指利用一组控制方程（代数或微分方程）来描述一个过 程的基本参数变化关系，采用数值计算的方法求解，以获得该过程（或 一个过程的某一方面）的定量认识，及对过程进行动态模拟分析，在 此基础上判断工艺或方案的优劣、预测缺陷、优化工艺等。1.2 数值模拟方法的基本特点数值模拟方法的基本特点是将微分方程边值问题的求解域进行 离散化，将原来欲求得在求解域内处处满足场方程，在边界上处处满 足边界条件的解析解的要求降低为求得在给定的离散点 （节点）上满 足由场方程和边界条件所导出的一组 代数方程的数值
3、解。这样，就 使一个接续的、无限自由度问题变成离散的、有限自由度问题。1.3 材料成型数值模拟方法的主要内容材料成型数值模拟方法的主要内容是：前处理、模拟分析计算和 后处理三部分。前处理：实体造型、网格剖分。模拟分析计算：宏观模拟、微观组织模拟及缺陷模拟、多种物理 场的耦合计算。后处理：模拟结果的可视化处理。1.4 数值模拟方法分类数值模拟方法可以分为两大类：1、有限差分法有限差分法以差分代替微分，将求解对象在时间与空间上进行离 散，对每个离散单元进行各种物理场分析（如温度场、流动场及应力 场等），然后将所有单元的求解结果汇总，得到整个求解对象在不同 时刻的行为变化，并对分析对象的可能变化（发
4、展）趋势作出预测。有 限差分法具有求解过程简单、速度快、前后最处理易于实现等优点。2、有限元法有限元法的特点是将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在 节点处相互连接的单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求 的插值函数描述基本未知量在其中的分布。随着单元尺寸的缩小，近 似的数值解将越来越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和变动的 边界。1.5 材料成型过程数值模拟研究的发展趋势 要求：高质量、低成本、短周期。1、并行工程，要求高质量、高效率的高度集成的数值模拟系统。 计算机硬件、计算速度的方法。2、高度集成，包括图形系统、数据传输程序、前处理系统、模拟 分析系统、后处理系统、数据库管理系统
5、。模拟分析系统也是多种物 理场模拟的集成，如流场、温度场、应力场、相场的耦合；应力 /应 变场、温度场、相场耦合的模拟系统等。总之，高质量、高效率的高度集成的数值模拟系统并行工程的可 靠而有效的保证，也是发展虚拟制造技术的关键之一，它将会促进 21 世纪的材料加工技术得到更大的发展。第二章 计算机数值模拟在材料成型领域中的应用 因为，材料成型（包括铸造、塑性加工、焊接、热处理）是一个涉 及物理、流体、传热、冶金、力学等因素的复杂过程。所以，计算机 是指模拟在材料成型领域中的应用也分为，铸造、塑性加工、焊接、 热处理等方面的应用。1铸造：温度场模拟流动场模拟应力场模拟溶质场模拟流动与传热耦合设计
6、微观组织模拟M-C法、CA法、相场法2焊接：焊接的热传导分析 焊接熔池流体力学和传热分析电弧物理焊接冶金和焊接接头组织性能的测定焊接应力与变形焊接过程中的氢扩散特殊焊接过程的数值分析，如电阻焊、激光焊、摩擦焊 焊接接头的力学行为3）金属塑性加工：塑性变形过程 温度、应力、应变等分布规律 微观组织、力学、机械及物化性能的变化4）热处理：温度场数值模拟应力场模拟组织转变相图的模拟第三章 材料成型过程数值模拟研究的意义3.1 采用模拟技术的原因材料成形过程的基本规律可以用一组微分方程来描述，例如流动 方程、热传导方程，平衡方程或运动方程等，这些方程在所讨论的问 题中常常称为场方程或控制方程。在材料成
7、形原理这本书中，对 这些方程进行了详细的阐述。为了分析一个具体的材料成形问题，除 了要给出具有普遍意义的场方程以外，还要给出由该问题的特点所决 定的定解条件，其中包括边值条件和初值条件。这样就把材料成形问 题抽象为一个微分方程（组）的边值问题。般说来，微分方程的边值问题只是在方程的性质比较简单、问 题的求解域的几何形状十分规则的情况下，或是对问题进行充分简化 的情况下，才能求得解析解。而实际的材料成形问题求解域往往是十 分复杂的，而且场方程往往相互耦合，因此无法求得解析解，面在对 问题进行过多简化后得到的近似解可能误差很大，甚至是错误的。3.2 采用模拟技术的意义采用模拟技术，能在材料成形工艺设计和模具设计初步方案完成 后立即对其进行检验，寻求可行的甚至最优的设计方案，然后再完成 详细设计并进行模具制造。这样，在新产品开发时，就能使得产品设 计、工装模具设计和制造等相关工作同时展开，即实现并行工程，达 到降低成本、提高质量、缩短产品交货期的目的。参考文献1. 汪建华 编著，焊接数值模拟技术及其应用，2003 年10 月第 1 版2. 董湘怀 主编，材料成形计算机模拟，机械工业出版社，20023. 李长生，刘相华，熊尚武，等.金属塑性成形过程CSPH无网格法 数值模拟机械工程学报2006
