材料加工過程的數(shù)值模擬

1、材料成型的計算機仿真,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢,4. 課程要求、進度安排,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢,4. 課程要求、進度安排,塑性加工研究的兩類方法,金屬塑性成形, 生產(chǎn)效率高, 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定, 原材料消耗少, 有效改善金屬的組織和力學(xué)性能,75的鋼材,70的汽車零部件,優(yōu)點：,缺點：, 以經(jīng)驗和知識為依據(jù)、以“試錯”為基本方法,虛擬制造,將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于塑性加工全過程，其中的成形過程虛擬仿真（模擬分析）最為重要。,對成形過程的虛擬仿真，可以在模具加工之前，檢驗?zāi)＞哧P(guān)鍵工作部

2、分形狀和尺寸設(shè)計的合理性，分析材料的流動規(guī)律，預(yù)測是否產(chǎn)生缺陷，此外還可以對其他工藝參數(shù)進行優(yōu)化分析。,這樣就可以確保工藝、設(shè)計和模具制造一次成功，主要問題在設(shè)計階段就完全解決，使塑性加工進入以模型化、最優(yōu)化、和柔性化為特征的工程科學(xué)階段，提高塑性加工行業(yè)的科學(xué)化水平。,概念：在計算機內(nèi)構(gòu)造虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，進行實際生產(chǎn)過程的模擬。,塑性加工工藝特點, 加工工藝的多樣性, 變形行為的復(fù)雜性,變形機理的復(fù)雜性,變形金屬材料性能的可變性,接觸界面與摩擦作用,鍛造,沖壓,軋制,擠壓,拉拔,塑性加工工藝模擬分析方法, 解析法, 實驗/解析法,相似理論法,視塑性法, 數(shù)值法,有限元法,有限差分法,邊界

3、元法,工程法（Slab法，主應(yīng)力法） 滑移線法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限單元法（UBET) 有限單元法（FEM,Finite Element Method）,什么是CAE？CAE是什么意思?,計算機輔助工程（CAE）是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分析。 一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計算機數(shù)值模擬得到滿意的解答。 另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)

4、等方面發(fā)揮了重要作用，同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進步。,CAE技術(shù)的應(yīng)用,8月17日，北京奧運會游泳比賽項目在“水立方”落下帷幕，9天內(nèi)，我們見證了19項新的世界紀(jì)錄和7項新的奧運會紀(jì)錄的誕生，見證了泳壇巨星菲爾普斯身著“鯊魚皮”泳衣勇奪8金的奧運傳奇。,CAE技術(shù)鑄就“鯊魚皮”,我們知道水的阻力是運動員提高游泳速度的最大障礙，它的流動方式是決定泳速的關(guān)鍵因素，因此降低水的阻力自然成為幫助游泳運動員提高成績的最有效途徑，它同時也是最具難度的一項工作。而應(yīng)用CAE仿真技術(shù)的“鯊魚皮”泳衣卻令人難以置信地比普通泳衣的阻

5、力低38%!,CAE技術(shù)幫助研究人員獲取關(guān)于泳衣表面和形體阻力的理想方案。運動員要求理想的泳衣實現(xiàn)水中運動過程盡可能平滑和不受到干擾，通過采用FLUENT數(shù)值分析，研究人員得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力區(qū)域布置低磨擦材料，從而使運動員在水中盡可能地產(chǎn)生減少阻力的流體動力。,研究人員使用FLUENT軟件分析的仿真數(shù)據(jù)，精確定位運動員在水中身體的高磨擦區(qū)，通過CAE技術(shù)尋找游泳運動員在水中身體最大阻力的位置，然后在該部位采用低磨擦材料進行設(shè)計。,Felt賽車結(jié)構(gòu)設(shè)計,Felt賽車公司借助CFdesign設(shè)計出的自行車稱為“從未見過的最具空氣動力學(xué)特性的自行車”，并且贏得了一系列世界重大賽事。

6、,型號：B2-pro 材料：碳纖維重量：7.58Kg,ANSYS在國家體育場設(shè)計中的應(yīng)用,國家體育場是2008年第29屆奧運會的主體育場，承擔(dān)奧運會開、閉幕式與田徑比賽，總建筑面積約為25萬m2。建筑的設(shè)計使用年限為100年，其“鳥巢”結(jié)構(gòu)將成為北京市的重要標(biāo)志性建筑。該建筑地面以上平面呈橢圓型，長軸為332.3m，短軸為296.4m。主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土看臺與帶有可開合屋蓋的大跨度鋼屋蓋兩部分構(gòu)成。屋蓋的主結(jié)構(gòu)由48榀桁架與中間環(huán)梁構(gòu)成，支承在周邊24根組合柱之上。屋蓋的頂面呈鞍形，最高點高度為68.5m，最低點高度為42.8m。主桁架圍繞屋蓋中部的環(huán)梁放射形布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形

7、成了“鳥巢”的特殊建筑造型，主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。,CAE在焊接結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,MSC.MARC,本課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及方法,應(yīng)用MARC和Procast集成CAE仿真分析軟件是一項比較復(fù)雜、對使用者要求相對較高的技術(shù)。要求軟件的使用者首先要具備以下的背景知識及一定的工程實踐經(jīng)驗，基礎(chǔ)包括： CAD/CAE/CAM的基礎(chǔ)知識 具有一定的有限元分析方法的理論知識 鑄鍛焊工藝基礎(chǔ)及模具設(shè)計的理論 具備能熟練使用某一三維CAD軟件進行三維造型的能力（ProE、UG、 Solidworks、 CATIA ） 具備一定的專業(yè)外語閱讀水平 具備一定的計算機基本操作技

8、能,國內(nèi)外CAE分析師待遇情況,國外 因行業(yè)而異CAE分析師的年薪工資平均在810萬美元，網(wǎng)格劃分師在10萬美元以上。 國內(nèi) 平均在年薪8萬,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢,4. 課程要求、進度安排,應(yīng)用現(xiàn)狀,計算機模擬促進了熱加工工藝改進,大型船用曲軸鍛造數(shù)值模擬研究,計算機模擬促進了熱加工工藝改進,大型船用曲軸鍛造數(shù)值模擬研究,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗,大型軸類鍛件倒棱滾圓過程的數(shù)值模擬研究,初始坯料形狀、不同型砧（平砧、 90V砧和120V砧）倒棱后鍛,件形狀、以及120V砧滾圓后形狀,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗,大型軸類鍛件

9、倒棱滾圓過程的數(shù)值模擬研究,不同型砧下的鍛件倒棱、滾圓后的斷面形 狀精度,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗,多工步成形中的空洞型缺陷演化,大型長方體鋼錠平砧拔長后的空洞閉合情況（外觀圖和剖面圖）,基于空洞演化的體胞模型， 通過數(shù)值模擬可以為鍛件 “控性”提供理論分析基 礎(chǔ)，也為新工藝的創(chuàng)成提 供了依據(jù)。,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗 汽車傳動系統(tǒng)鍛件的飛邊余量,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗 汽車傳動系統(tǒng)鍛件的飛邊余量 50 某汽車傳動系統(tǒng)鍛件的 飛邊余量原來占到總重,量的約50%，經(jīng)過計算 機模擬，改進了鍛造工,25,藝設(shè)計，使飛邊余量降 低到25%，通過節(jié)省原 材料降低了能耗。 飛邊余量的

10、降低百分比,計算機模擬促進了熱加工節(jié)能降耗，還保證了產(chǎn)品質(zhì)量,大型合金鋼模塊,P20大模塊預(yù)冷水淬自回火水淬自回,火處理后珠光體分布云圖,國家體育館空間結(jié)構(gòu)梁焊接變形 隔板 66,第 4 段 第 3 段,外側(cè)腹板,隔板 22a,隔板 38,隔板 39,隔板 41,第 2 段,上翼板,內(nèi)側(cè)腹板,下翼板,隔板 B1,隔板 37,隔板編號示意圖,隔板焊縫 G4,第 1 段 結(jié)構(gòu)整體示意圖 隔板焊縫 G1 隔板焊縫 G2 隔板焊縫 G3,主焊縫 Z1 主焊縫 Z2 焊縫的空間分布及編號圖,主焊縫 Z4 主焊縫 Z3,注：隔板焊縫編號以一個隔板 為例，其余隔板相同。,perature(C)Temp,寧德

11、項目2#反應(yīng)堆壓力容器接管段 溫度 700,應(yīng)力,600 500 400 300 200,WELD2,WELD1,modified design Temperature in weld vicinity,0,50,100,150,200,250,300,350,400,100,Distance (mm) 焊接殘余應(yīng)力與焊縫布置,核電裝備堆內(nèi)構(gòu)件應(yīng)力槽計算,isplacement(mDi,mm),斜接管交換器焊接變形預(yù)測 0.50,first second third fourth,b,0.20,0.45 0.40 0.35 0.30 0.25,內(nèi)環(huán)2,內(nèi)環(huán)1,內(nèi)環(huán)3,0.10 0.05,0.1

12、5,外環(huán)2,a 外環(huán)1,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1800,2000,0.00,Distance in axial direction(mm),真空高壓氣淬爐流場溫度場模擬,真 空 爐 實 體,真 空 爐 模 型,爐 內(nèi) 流 場,工 件 內(nèi) 部 溫 度 場,鑄件CAD/CAE一體化技術(shù),CAD及CAE技術(shù)已經(jīng)逐漸在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。CAD/CAE一體化技術(shù)一度被業(yè)界追逐并終于得到了廣泛應(yīng)用，為提高企業(yè)研發(fā)效率發(fā)揮了重要作用。,鑄件成型CAE分析過程,首先由CAD完成設(shè)計模型，包括鑄件、模具、等，通過標(biāo)準(zhǔn)格式輸出模型導(dǎo)入CAE分析程序。然后

13、對模型進行網(wǎng)格離散，以上過程稱為CAE的前處理。在后處理過程中包括對鑄件溫度場、速度場、應(yīng)力場的耦合計算，然后對結(jié)果進行顯示，生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖以及各個場的動態(tài)顯示圖。,實例分析（前處理過程）,CAD造型設(shè)計,實例分析（前處理過程）,模型離散處理,中間軸及模具離散,實例分析（前處理過程）,模型離散處理（齒輪箱體）,實例分析（前處理過程）,模型離散處理,實例分析（前處理過程）,壓鑄參數(shù)設(shè)置 材料屬性（鑄件、模具及其他） 材料的熱物性參數(shù) 鑄液的流動粘度 材料的熱彈塑性參數(shù) 界面熱交換參數(shù) 模具鑄件模具間熱交換系數(shù) 模具打開后，模具空氣，鑄件空氣熱交換 系數(shù) 模具敷料熱交換系

14、數(shù) 邊界條件設(shè)置 澆道口液體充型速度 澆道口壓力 模具上的合型力,實例分析（前處理過程）,鑄件及模具初始溫度 重力大小及方向 程序運行參數(shù)設(shè)置 壓鑄循環(huán)次數(shù) 程序循環(huán)次數(shù) 紊流模型設(shè)置 溫度場設(shè)置 缺陷分析設(shè)置 應(yīng)力場分析設(shè)置 各個參數(shù)單位設(shè)置,實例分析（后處理過程）,充型過程分析,實例分析（后處理過程）,充型過程分析,實例分析（后處理過程）,充型過程分析（齒輪室）,實例分析（后處理過程）,凝固過程分析,實例分析（后處理過程）,凝固過程分析,實例分析（缺陷分析）,縮孔縮松預(yù)測,實例分析（缺陷分析）,預(yù)測鑄件熱裂區(qū)域,實例分析（缺陷分析）,預(yù)測模具熱疲勞區(qū),分析實例,早在戰(zhàn)國以前，我國就出現(xiàn)了熔

15、模鑄造技術(shù)。在湖北隨縣曾侯乙墓出土的戰(zhàn)國早期用熔模法鑄造的青銅件，是尊和尊盤口沿上的透空附飾。附飾由表層紋飾和內(nèi)部多層次的銅梗所組成。紋飾分內(nèi)外兩層，鏤空的花紋之間互不接續(xù)，彼此獨立，全靠內(nèi)層銅梗支承。從附飾鑄件的精巧纖細(xì)、玲瓏剔透來看，當(dāng)時的熔模鑄造技術(shù)已比較成熟了。,實例：十堰精緯特種鑄造廠,剖切圖,剖切圖,方案1 浸水冷卻1,充型過程,內(nèi)部缺陷分析,方案2浸水冷卻2,內(nèi)部缺陷分析,方案3冷卻浸水3,內(nèi)部缺陷分析,實驗驗證,實驗結(jié)果,分析結(jié)果與實際比較,實例分析（鎂合金發(fā)動機進氣管）,鎂合金進氣管分析報告,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢,

16、4. 課程要求、進度安排,宏觀-微觀 多物理場耦合 數(shù)值模擬在特種成成形中的應(yīng)用范圍不斷拓寬 基礎(chǔ)性研究增大 反向模擬技術(shù) 模擬軟件 協(xié)同工作 模擬結(jié)果與設(shè)備控制的關(guān)聯(lián),第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢,4. 課程要求、進度安排,1.教材： 傅建主編. 材料成形過程數(shù)值模擬.化學(xué)工業(yè)出版社，2009,2.參考書目：,劉勁松;張士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用.中國水利水電出版社,2010 陳立亮主編材料加工 CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社，2006 董湘懷主編材料成形計算機模擬機械工業(yè)出版社出版社，2002 辛啟斌編著材料成形計算機模擬冶金工業(yè)出版社，2005 張凱鋒主編材料熱加工過程的數(shù)值模擬哈爾濱工業(yè)大學(xué)