01.材料加工过程的数值模拟

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料成型的计算机仿真,第一讲 材料成形数值模拟概述,1.,引言,2.,工程意义及应用现状,3.,发展趋势,4.,课程要求、进度安排,第一讲 材料成形数值模拟概述,1.,引言,2.,工程意义及应用现状,3.,发展趋势,4.,课程要求、进度安排,塑性加工研究的两类方法,金属塑性成形,生产效率高,产品质量稳定,原材料消耗少,有效改善金属的组织和力学性能,75,的钢材,70,的汽车零部件,优点：,缺点：,以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法,虚拟制造,将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的,成形过程虚拟仿真,（模拟分析）最为重要。,对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。,这样就可以确保,工艺、设计和模具制造,一次成功，主要问题在设计阶段就完全解决，使塑性加工进入,以模型化、最优化、和柔性化,为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。,概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟,。,塑性加工工艺特点,加工工艺的多样性,变形行为的复杂性,变形机理的复杂性,变形金属材料性能的可变性,接触界面与摩擦作用,锻造,冲压,轧制,挤压,拉拔,塑性加工工艺模拟分析方法,解析法,实验,/,解析法,相似理论法,视塑性法,数值法,有限元法,有限差分法,边界元法,工程法（,Slab,法，主应力法）,滑移线法（,Slip line,）,上限法（,Upper bound,）（下限法）、上限单元法（,UBET),有限单元法（,FEM,Finite,Element Method,）,什么是,CAE,？,CAE,是什么意思,?,计算机辅助工程（,CAE,）是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。,一方面，,CAE,技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。,另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时,CAE,这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。,CAE,技术的应用,8,月,17,日，北京奥运会游泳比赛项目在“水立方”落下帷幕，,9,天内，我们见证了,19,项新的世界纪录和,7,项新的奥运会纪录的诞生，见证了泳坛巨星菲尔普斯身着“鲨鱼皮”泳衣勇夺,8,金的奥运传奇,。,CAE,技术铸就“鲨鱼皮”,我们知道水的阻力是运动员提高游泳速度的最大障碍，它的流动方式是决定泳速的关键因素，因此,降低水的阻力,自然成为帮助游泳运动员提高成绩的最有效途径，它同时也是最具难度的一项工作。而应用,CAE,仿真技术的“鲨鱼皮”泳衣却令人难以置信地比普通泳衣的阻力低,38%!,CAE,技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻力的理想方案。,运动员要求理想的泳衣实现水中运动过程尽可能平滑和不受到干扰，,通过采用,FLUENT,数值分析，研究人员得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。,研究人员使用,FLUENT,软件分析的仿真数据，精确定位运动员在水中身体的高磨擦区，通过,CAE,技术寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置，然后在该部位采用低磨擦材料进行设计。,Felt,赛车结构设计,Felt,赛车公司借助,CFdesign,设计出的自行车称为“从未见过的最具空气动力学特性的自行车”，并且赢得了一系列世界重大赛事。,型号：,B2-pro,材料：碳纤维重量：,7.58Kg,ANSYS,在国家体育场设计中的应用,国家体育场是,2008,年第,29,届奥运会的主体育场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为,25,万,m2,。建筑的设计使用年限为,100,年，其“鸟巢”结构将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地面以上平面呈椭圆型，长轴为,332.3m,，短轴为,296.4m,。主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合屋盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由,48,榀桁架与中间环梁构成，支承在周边,24,根组合柱之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为,68.5m,，最低点高度为,42.8m,。主桁架围绕屋盖中部的环梁放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。,CAE,在焊接结构上的应用,MSC.MARC,本课程学习基础及方法,应用,MARC,和,Procast,集成,CAE,仿真分析软件是一项比较复杂、对使用者要求相对较高的技术。要求软件的使用者首先要具备以下的背景知识及一定的工程实践经验，基础包括：,CAD/CAE/CAM,的基础知识,具有一定的有限元分析方法的理论知识,铸锻焊工艺基础及模具设计的理论,具备能熟练使用某一三维,CAD,软件进行三维造型的能力（,ProE,、,UG,、,Solidworks,、,CATIA,）,具备一定的专业外语阅读水平,具备一定的计算机基本操作技能,国内外,CAE,分析师待遇情况,国外,因行业而异,CAE,分析师的年薪工资平均在,8,10,万美元，网格划分师在,10,万美元以上。,国内,平均在年薪,8,万,第一讲 材料成形数值模拟概述,1.,引言,2.,工程意义及应用现状,3.,发展趋势,4.,课程要求、进度安排,应用现状,计算机模拟促进了热加工工艺改进,大型船用曲轴锻造数值模拟研究,计算机模拟促进了热加工工艺改进,大型船用曲轴锻造数值模拟研究,计算机模拟促进了热加工节能降耗,大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究,初始坯料形状、不同型砧（平砧、,90,V,砧和,120V,砧）倒棱后锻,件形状、以及,120V,砧滚圆后形状,计算机模拟促进了热加工节能降耗,大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究,不同型砧下的锻件倒棱、滚圆后的断面形,状精度,计算机模拟促进了热加工节能降耗,多工步成形中的空洞型缺陷演化,大型长方体钢锭平砧拔长后的空洞闭合情况（外观图和剖面图）,基于空洞演化的体胞模型，,通过数值模拟可以为锻件,“控性”提供理论分析基,础，也为新工艺的创成提,供了依据。,计算机模拟促进了热加工节能降耗,汽车传动系统锻件的飞边余量,计算机模拟促进了热加工节能降耗,汽车传动系统锻件的飞边余量,50,某汽车传动系统锻件的,飞边余量原来占到,总重,量的约,50%,，经过,计算,机模拟，改进了锻造工,25,艺设计，使飞边余量降,低到,25%,，通过节省原,材料降低了能耗。,飞边余量的降低百分比,计算机模拟促进了热加工节能降耗，还保证了产品质量,大型合金钢模块,P20,大模块预冷水淬自回火水淬自回,火处理后珠光体分布云图,国家体育馆空间结构梁焊接变形,隔板,66,第,4,段,第,3,段,外侧腹板,隔板,22a,隔板,38,隔板,39,隔板,41,第,2,段,上翼板,内侧腹板,下翼板,隔板,B1,隔板,37,隔板编号示意图,隔板焊缝,G4,第,1,段,结构整体示意图,隔板焊缝,G1,隔板焊缝,G2,隔板焊缝,G3,主焊缝,Z1,主焊缝,Z2,焊缝的,空间分布及编号图,主焊缝,Z4,主焊缝,Z3,注：隔板焊缝编号以一个隔板,为例，其余隔板相同,。,perature(,C)Temp,宁德项目,2#,反应堆压力容器接管段,温度,700,应力,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),焊接残余应力与焊缝布置,核电装备堆内构件应力槽计算,isplacement(mDi,mm),斜接管交换器焊接变形预测,0.50,first,second,third,fourth,b,0.20,0.45,0.40,0.35,0.30,0.25,内环,2,内环,1,内环,3,0.10,0.05,0.15,外环,2,a,外环,1,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1800,2000,0.00,Distance in axial direction(mm),真空高压气淬炉流场温度场模拟,真,空,炉,实,体,真,空,炉,模,型,炉,内,流,场,工,件,内,部,温,度,场,铸件,CAD/CAE,一体化技术,CAD,及,CAE,技术已经逐渐在各行各业得到了广泛应用。,CAD/CAE,一体化技术一度被业界追逐并终于得到了广泛应用，为提高企业研发效率发挥了重要作用。,铸件成型,CAE,分析过程,首先,由,CAD,完成设计模型，包括铸件、模具、等，通过标准格式输出模型导入,CAE,分析程序。,然后,对模型进行网格离散，以上过程称为,CAE,的,前处理,。在,后处理,过程中包括对铸件温度场、速度场、应力场的耦合计算，然后对结果进行显示，生成位移、应力、温度、压力分布的等值线图以及各个场的动态显示图。,实例分析（前处理过程）,CAD,造型设计,实例分析（前处理过程）,模型离散处理,中间轴及模具离散,实例分析（前处理过程）,模型离散处理（齿轮箱体）,实例分析（前处理过程）,模型离散处理,实例分析（前处理过程）,压铸参数设置,材料属性（铸件、模具及其他）,材料的热物性参数,铸液的流动粘度,材料的热弹塑性参数,界面热交换参数,模具铸件模具间热交换系数,模具打开后，模具空气，铸件空气热交换 系数,模具敷料热交换系数,边界条件设置,浇道口液体充型速度,浇道口压力,模具上的合型力,实例分析（前处理过程）,铸件及模具初始温度,重力大小及方向,程序运行参数设置,压铸循环次数,程序循环次数,紊流模型设置,温度场设置,缺陷分析设置,应力场分析设置,各个参数单位设置,实例分析（后处理过程）,充型过程分析,实例分析（后处理过程）,充型过程分析,实例分析（后处理过程）,充型过程分析（齿轮室）,实例分析（后处理过程）,凝固过程分析,实例分析（后处理过程）,凝固过程分析,实例分析（缺陷分析）,缩孔缩松预测,实例分析（缺陷分析）,预测铸件热裂区域,实例分析（缺陷分析）,预测模具热疲劳区,分析实例,早在战国以前，我国就出现了熔模铸造技术。在湖北随县曾侯乙墓出土的战国早期用熔模法铸造的青铜件，是尊和尊盘口沿上的透空附饰。附饰由表层纹饰和内部多层次的铜梗所组成。纹饰分内外两层，镂空的花纹之间互不接续，彼此独立，全靠内层铜梗支承。从附饰铸件的精巧纤细、玲珑剔透来看，当时的熔模铸造技术已比较成熟了。,实例：十堰精纬特种铸造厂,剖切图,剖切图,方案,1 ,浸水冷却,1,充型过程,内部缺陷分析,方案,2,浸水冷却,2,内部缺陷分析,方案,3,冷却浸水,3,内部缺陷分析,实验验证,实验结果,分析结果与实际比较,实例分析（镁合金发动机进气管）,镁合金进气管分析报告,第一讲 材料成形数值模拟概述,1.,引言,2.,工程意义及应用现状,3.,发展趋势,4.,课程要求、进度安排,宏观,-,微观,多物理场耦合,数值模拟在特种成成形中的应用范围不断拓宽,基础性研究增大,反向模拟技术,模拟软件,协同工作,模拟结果与设备控制的关联,第一讲 材料成形数值模拟概述,1.,引言,2.,工程意义及应用现状,3.,发展趋势,4.,课程要求、进度安排,1.,教材：,傅建,主编,.,材料成形过程数值模拟,.,化学工业出版社，,2009,2.,参考书目：,刘劲松,;,张士宏,;,肖寒,;,李毅波,.,MSC.MARC,在材料加工工程中的应用,.,中国水利水电出版社,2010,陈立亮主编材料加工,CAD/CAE/CAM,技术基础 机械工业出版社，,2006,董湘怀主编材料成形计算机模拟机械工业出版社出版社，,2002,辛啟斌编著材料成形计算机模拟冶金工业出版社，,2005,张凯锋主编材料热加工过程的数值模拟哈尔滨工业大学出版社，,2001,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，,1999,3.,教学软件：,MSC.MARC,ESI.Procast,4.,教学内容：,基本内容包括,：有限元与有限差分法基础、应用数值方法模拟材料成形的一般步骤，金属铸造成形中的数值模拟，金属冲压成形中的数值模拟，金属锻压成形中的数值模拟，金属焊接成形中的数值模拟等。,课程重点：,金属铸造、冲压、锻压、焊接成型过程的数值模拟。,课程难点：,非线性有限单元法、刚（黏）塑性有限元法、数值解的解的收敛性与误差控制、热力耦合分析。,章节,内容,学时,其中实验,（上机学时）,备注,第一章,绪论,2,第二章,有限元与有限差分法基础,6,第三章,金属冲压成形中的数值模拟,6,2,第四章,金属锻压成形中的数值模拟,6,2,第五章,金属焊接成形中的数值模拟,6,2,第六章,金属,铸造,成形中的数值模拟,6,2,合计,32,8,5.,课时安排：,