材料成型仿真技術(shù)方向介紹

1、材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 2010.11.122010.11.12材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹主要內(nèi)容主要內(nèi)容l關(guān)于材料成型關(guān)于材料成型l軟件工程理論在材料成型中的應(yīng)用軟件工程理論在材料成型中的應(yīng)用l本方向主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和畢業(yè)后走向本方向主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和畢業(yè)后走向 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹1 關(guān)于材料成型關(guān)于材料成型 我們這里主要是指金屬材料在型，也就是指將原材我們這里主要是指金屬材料在型，也就是指將原材以一定的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)）在特定模具中冷卻成型以一定的狀態(tài)（固態(tài)、液態(tài)）在特定模具中冷卻成型或變形，得到我們所需

2、要的目標形狀，材料在成型前或變形，得到我們所需要的目標形狀，材料在成型前后沒有質(zhì)量的變化，故又常稱后沒有質(zhì)量的變化，故又常稱“質(zhì)量不變工藝質(zhì)量不變工藝”。主。主要有液態(tài)成型（鑄造）、固態(tài)成型（鍛壓）、焊接成要有液態(tài)成型（鑄造）、固態(tài)成型（鍛壓）、焊接成型等。本學(xué)科是國民經(jīng)濟發(fā)表的支柱產(chǎn)業(yè)。型等。本學(xué)科是國民經(jīng)濟發(fā)表的支柱產(chǎn)業(yè)。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹1.1 液態(tài)成型（鑄造）液態(tài)成型（鑄造） 鑄造是指將把金屬加熱熔鑄造是指將把金屬加熱熔化后澆入鑄型，待其冷卻化后澆入鑄型，待其冷卻凝固后獲得一定形狀和性凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法。能鑄件的成形方法。材料成型仿真技術(shù)介紹材

3、料成型仿真技術(shù)介紹 是世界上較早掌握鑄造技術(shù)的文明古國，我國鑄造是世界上較早掌握鑄造技術(shù)的文明古國，我國鑄造技術(shù)已有技術(shù)已有60006000年的悠久歷史。年的悠久歷史。世界上公認中國是最早應(yīng)用鑄鐵的國家之一。世界上公認中國是最早應(yīng)用鑄鐵的國家之一。25002500多年前（公元前多年前（公元前513513年）就鑄造出了年）就鑄造出了270kg270kg的的鑄鐵刑鼎。鑄鐵刑鼎。中國約在公元前中國約在公元前17001700至前至前10001000年之間就已進入了年之間就已進入了青銅鑄件的全盛時期。青銅鑄件的全盛時期。宋朝我國已使用鑄造鐵炮和鑄造地雷。宋朝我國已使用鑄造鐵炮和鑄造地雷。材料成型仿真技術(shù)

4、介紹材料成型仿真技術(shù)介紹名稱：司母戊大方鼎年代：商朝 質(zhì)量：875kg名稱：曾候乙尊盤 年代：春秋戰(zhàn)國材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹在許多機械中，鑄件重量占整機重量的比例很高，內(nèi)燃機80%，拖拉機65%-80%，液壓件、泵類機械50%-60%。冶金、礦山、電站等重大關(guān)鍵設(shè)備需求優(yōu)質(zhì)的重大型鑄件；另外國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)設(shè)施和人民生活也需要大量鑄件，輸水（氣）管道則需要各種尺寸的高韌性球墨鑄鐵管。作為我國支柱產(chǎn)業(yè)正在大力發(fā)展的汽車工業(yè)，其心臟部分發(fā)動機的關(guān)鍵零件，如缸體、缸蓋、曲軸、缸套、活塞、進氣管、排氣管等八大件幾乎全部由鑄造成而成。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技

5、術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹康明斯曲軸毛坯康明斯曲軸成品重型汽車康明斯排氣管 465q微型汽車發(fā)動機電噴排氣歧管 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹變速器殼體 中間箱體 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹1.2 固態(tài)成型（鍛壓）固態(tài)成型（鍛壓） 通過模具和設(shè)備對材料施加力場，或再輔助以溫度場通過模具和設(shè)備對材料施加力場，或再輔助以溫度場 使材料產(chǎn)生塑性變形實現(xiàn)體積轉(zhuǎn)移使材料產(chǎn)生塑性變形實現(xiàn)體積轉(zhuǎn)移 獲得形狀、尺寸和性能滿足要求的制件方法獲得形狀、尺寸和性能滿足要求的制件方法材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹塑性成形技術(shù)塑性成形技術(shù)制造業(yè)的支撐技術(shù)制造業(yè)的支撐技術(shù)中國制造業(yè)已成為

6、國民經(jīng)濟的重要組成部分中國制造業(yè)已成為國民經(jīng)濟的重要組成部分工業(yè)增加值占工業(yè)增加值占gdp的的35.30%q工業(yè)增加值占全部工業(yè)的工業(yè)增加值占全部工業(yè)的78.68%78.68%；q上交稅金約占全部工業(yè)的上交稅金約占全部工業(yè)的90%90%；q從業(yè)人員占全部工業(yè)的從業(yè)人員占全部工業(yè)的90.7%90.7%；q出口占全國外貿(mào)出口的出口占全國外貿(mào)出口的91.2%91.2%；q全部外商實際直接投資額的全部外商實際直接投資額的70%70%2005年年制造業(yè)制造業(yè)35.30%其它其它64.70%材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹薄壁彎管在先進薄壁彎管在先進發(fā)動機中應(yīng)用廣泛發(fā)動機中應(yīng)用廣泛f119發(fā)動機（

7、f/a-22用）軍事需求材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹長征系列運載火箭動力系統(tǒng)長征系列運載火箭動力系統(tǒng)接頭接頭直徑直徑161mm161mm、壁厚、壁厚1.5mm1.5mm材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 瑞典瑞典ap&t公司公司材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹后機身整體隔框后機身整體隔框 ( (投影面積投影面積5.16m5.16m2 2) )鎂合金等溫鍛件鎂合金等溫鍛件材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹傳統(tǒng)多點成形原理材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹國家奧林匹克體育中

8、心（鳥巢）材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 長度長度33m, 寬度寬度2.8m, 壁厚壁厚328mm雙曲率外形，容差雙曲率外形，容差01mm材料：材料：7075t624小時一件小時一件 a380飛機鋁合金機翼整體成形飛機鋁合金機翼整體成形材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹2 軟件工程理論在材料成型中的應(yīng)用軟件工程理論在材料成型中的應(yīng)用 一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學(xué)模型及一方面是計算模擬，即從實驗數(shù)據(jù)出發(fā)，通過建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設(shè)計，即直數(shù)值計算，模擬實際過程；另一方面是材料的計算機設(shè)計，即直接通過理論模型和計算，預(yù)測或

9、設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。前者使材接通過理論模型和計算，預(yù)測或設(shè)計材料結(jié)構(gòu)與性能。前者使材料研究不是停留在實驗結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體料研究不是停留在實驗結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實驗結(jié)果上升為一般的、定量的理論，后者則使材料的研究系的實驗結(jié)果上升為一般的、定量的理論，后者則使材料的研究與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高與開發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。研究效率。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 隨著計算材料學(xué)的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬隨著計算材料學(xué)的不斷進步與成熟，材料的計算機模擬與設(shè)計已不僅僅是材料物

10、理以及材料計算理論學(xué)家的熱門與設(shè)計已不僅僅是材料物理以及材料計算理論學(xué)家的熱門研究課題，更將成為一般材料研究人員的一個重要研究工研究課題，更將成為一般材料研究人員的一個重要研究工具。由于模型與算法的成熟，通用軟件的出現(xiàn)，使得材料具。由于模型與算法的成熟，通用軟件的出現(xiàn)，使得材料計算的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實。因此，計算材料學(xué)基礎(chǔ)知識的計算的廣泛應(yīng)用成為現(xiàn)實。因此，計算材料學(xué)基礎(chǔ)知識的掌握已成為現(xiàn)代材料工作者必備的技能之一。掌握已成為現(xiàn)代材料工作者必備的技能之一。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹1.1 軟件工程理論在液態(tài)成型中的應(yīng)用軟件工程理論在液態(tài)成型中的應(yīng)用 十二缸發(fā)動機箱體工藝圖十二缸發(fā)

11、動機箱體工藝圖材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹利用成型過程仿真軟件對某廠一重580公斤鑄鋼閥體件如下圖所示，進行了鑄造工藝方案的制定及澆注系統(tǒng)的設(shè)計流程。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹鑄件體積收縮圖: (a)軸測圖；(b)主視圖4a4b 從凝固數(shù)值模擬可以看出體積收縮主要分布在鑄件的四個輪上（如上圖所示），因此根據(jù)該鑄件的特點，本設(shè)計擬采用腰圓明冒口來實行補縮。體鑄件收縮率選取7%，對于收縮體積較大的兩個部位來說，結(jié)合標準化冒口數(shù)據(jù)庫，確定選用冒口直徑為120mm，寬為180mm，高為150mm的標準腰圓冒口；對于收縮體積較小的兩個部位來說，選用冒口直徑為80mm，寬為120

12、mm，高為100mm的標準腰圓冒口。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹圖6：鑄件工藝圖 把設(shè)計好的澆注系統(tǒng)和冒口組合放置到鑄件上，最終得到得到鑄件的工藝圖，如圖6所示。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹鑄件收縮體積圖（加工藝）：(a)軸測圖；(b)主視圖ab 將加入的工藝的鑄件三維圖導(dǎo)入將加入的工藝的鑄件三維圖導(dǎo)入castsoft_caecastsoft_cae中進行模擬，中進行模擬，模擬結(jié)果顯示，缺陷全部留在冒口中，設(shè)計結(jié)果合理。模擬結(jié)果顯示，缺陷全部留在冒口中，設(shè)計結(jié)果合理。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料：材料：cf-8m，鑄件模擬工藝和實際生產(chǎn)工藝圖，鑄件模擬

13、工藝和實際生產(chǎn)工藝圖材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹unigraphics(ug) ug是unigraphicssolutions公司的拳頭產(chǎn)品。該公司首次突破傳統(tǒng)cad/cam模式，為用戶提供一個全面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)。在ug中，優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結(jié)合在一起，這一結(jié)合被實踐證明是強有力的，并被大多數(shù)cad/cam軟件廠商所采用。 ug最早應(yīng)用于美國麥道飛機公司。它是從二維繪圖、數(shù)控加工編程、曲面造型等功能發(fā)展起來的軟件。90年代初，美國通用汽車公司選中ug作為全公司的cad/cae/cam/cim主導(dǎo)系統(tǒng)，這進一步推動了ug的發(fā)展。1997年10月uni

14、graphicssolutions公司與intergraph公司簽約，合并了后者的機械cad產(chǎn)品，將微機版的solidedge軟件統(tǒng)一到parasolid平臺上。由此形成了一個從低端到高端，兼有unix工作站版和windowsnt微機版的較完善的企業(yè)級cad/cae/cam/pdm集成系統(tǒng)。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹燈罩手機外殼暖壺壓嘴球槽基座材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹solidedge solidedge是真正windows軟件。它不是將工作站軟件生硬地搬到windows平臺上，而是充分利用windows基于組件對象模型(com)的先進技術(shù)重寫代碼。solide

15、dge與microsoftoffice兼容，與windows的ole技術(shù)兼容，這使得設(shè)計師們在使用cad系統(tǒng)時，能夠進行windows下字處理、電子報表、數(shù)據(jù)庫操作等。 solidedge具有友好的用戶界面，它采用一種稱為smartribbon的界面技術(shù)，用戶只要按下一個命令按鈕，既可以在smartribbon上看到該命令的具體的內(nèi)容和詳細的步驟，同時在狀態(tài)條上提示用戶下一步該做什么。 solidedge是基于參數(shù)和特征實體造型的新一代機械設(shè)計cad系統(tǒng)，它是為設(shè)計人員專門開發(fā)的，易于理解和操作的實體造型系統(tǒng)。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹1.

16、2 軟件工程理論在固態(tài)成型中的應(yīng)用軟件工程理論在固態(tài)成型中的應(yīng)用 伴隨傳統(tǒng)的塑性加工技術(shù)和現(xiàn)代計算機技術(shù)全方位的密切結(jié)合,傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法已逐漸被模擬式設(shè)計所代替。作為一種有效的數(shù)值計算方法目前有限元法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到金屬塑性成形加工過程的數(shù)值模擬之中。采用三維有限元數(shù)值模擬可得到金屬塑性變形過程的金屬流動、應(yīng)力應(yīng)變溫度分布等規(guī)律,也可以進行模具受力分析,并能預(yù)測出可能的缺陷及失效形式。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹四、應(yīng)用實例 使用deform-3d軟件,采用三維剛塑性有限元模擬技術(shù),研究了齒輪軸的楔橫軋制成形機理。幾何模型(如圖2所示)在

17、ug中建造,然后再導(dǎo)入deform-3d中。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 由于軋輥的彈性變形可忽略不計,故兩軋輥視為剛體;工件采用各向同性材料aisi1045,網(wǎng)格劃分后得到14235個節(jié)點、3154個四面體單元,工件的有限元模型見圖3。 據(jù)實際生產(chǎn)中輥式楔橫軋的工作狀況,對該模型進行了x、y、z方向上的位移約束,及x、y方向上的旋轉(zhuǎn)約束,這樣軋輥只有z方向上的旋轉(zhuǎn)。其中,工件和軋輥之間的接觸采用的是剪切摩擦模型。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 工件成形過程的模擬結(jié)果見圖4,由該圖可知,該過程包括四個成形階段:楔入段(圖4a),楔入平整段(圖4b),展寬成形段(圖4ci

18、),精整段(圖4j)。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 工件橫截面方向上的最大主應(yīng)力分布見圖5,由該圖可知,工件心部的拉應(yīng)力是內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和擴展的主要因素。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹為了估算軋制過程中的轉(zhuǎn)矩,又得到了轉(zhuǎn)矩隨時間變化的圖象,見圖6,由該圖可知:在軋制開始時即楔入段,轉(zhuǎn)矩急劇增加;到楔入平整段和展寬成形段時,轉(zhuǎn)矩保持相對穩(wěn)定;在成形結(jié)束時即精整段,轉(zhuǎn)矩急劇下降至零。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 可見,采用三維有限元模擬技術(shù),能得到軋件的應(yīng)力應(yīng)變分布、軋件表面變形形狀和模具的受力情況及材料流動狀況等重要信息,有助于認識軋件內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生機理,助于

19、深入探討楔軋工藝的成形機理等。材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹不同形狀的大型鋁型材 大型擠壓過程 100 mn油壓雙動鋁擠壓生產(chǎn)線 基于模擬仿真的大型鋁型材等溫擠壓基于模擬仿真的大型鋁型材等溫擠壓過程優(yōu)化設(shè)計與精確控制過程優(yōu)化設(shè)計與精確控制材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹3 本方向主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和畢業(yè)后走向本方向主要學(xué)習(xí)的內(nèi)容和畢業(yè)后走向 隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和計算機運算能力的不斷提高，計算機在材料成隨著計算機科學(xué)的發(fā)展和計算機運算能力的不斷提高，計算機在材料成型工藝及過程仿真和優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛，并且具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。型工藝及過程仿真和優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛，并且具有巨

20、大的發(fā)展?jié)摿?。具備運用軟件工程理論進行材料成分與成型工藝的設(shè)計和仿真優(yōu)化的人才，具備運用軟件工程理論進行材料成分與成型工藝的設(shè)計和仿真優(yōu)化的人才，不僅得到了企業(yè)和科研院所的青睞，并且具有良好的發(fā)展前景。本專業(yè)（方不僅得到了企業(yè)和科研院所的青睞，并且具有良好的發(fā)展前景。本專業(yè)（方向）是以軟件工程為基礎(chǔ)，培養(yǎng)系統(tǒng)地掌握軟件分析、軟件構(gòu)造、軟件測試向）是以軟件工程為基礎(chǔ)，培養(yǎng)系統(tǒng)地掌握軟件分析、軟件構(gòu)造、軟件測試與維護、軟件二次開發(fā)等方面基本技術(shù)及方法，并且掌握材料成型原理、工與維護、軟件二次開發(fā)等方面基本技術(shù)及方法，并且掌握材料成型原理、工藝及相關(guān)模擬軟件使用等基本知識，在材料成型領(lǐng)域能夠運用計算機和軟件藝及相關(guān)模擬軟件使用等基本知識，在材料成型領(lǐng)域能夠運用計算機和軟件工程理論進行材料成型工藝設(shè)計、模擬、優(yōu)化，成型過程模擬、性能預(yù)測和工程理論進行材料成型工藝設(shè)計、模擬、優(yōu)化，成型過程模擬、性能預(yù)測和相關(guān)軟件二次開發(fā)的的復(fù)合型人才。相關(guān)軟件二次開發(fā)的的復(fù)合型人才。 材料成型仿真技術(shù)介紹材料成型仿真技術(shù)介紹 大計算機科學(xué)導(dǎo)論、c語言程序設(shè)計、計算機組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、軟件工程基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫原理、人機交互的軟件工程方法等軟件工程相關(guān)課程，以具備對軟件系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、信息系統(tǒng)及計算機軟件相關(guān)