模拟仿真技术在加工过程中的应

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,*,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,*,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,*,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,*,模拟仿真技术在加工过程中的应用,引言,模拟仿真技术作为计算机的一项重要应用，现今已逐步走向成熟，这一方面得益于计算机技术的飞速发展，另一方面则由于工程实际对模拟仿真所提出的要求越来越高所致。解决材料科学中实际问题共有三种不同的方法，实验和理论是其中两种，而加工制造过程中的模拟和仿真则是另外一种重要的研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于多学科整合的加工制造模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质515倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%30%，降低人工成本5%20%，提高投入设备利用率30%60%，缩短产品设计和试制周期30%60%等。本文主要介绍模拟仿真技术在某些特定的加工制造方法中的运用。,1 铸造过程的模拟仿真,铸造过程的数值模拟技术是铸造行业的重要发展方向，包括凝固过程(温度场)数值模拟，铸件充型过程(流场)数值模拟，铸造热应力数值模拟，铸造合金的微观组织模拟，以及铸造缺陷(缩孔、缩松及热裂)的预测。铸造过程的模拟仿真主要包括以下几个方面：(1)铸件充型过程数值模拟;(2)铸件凝固过程数值模拟;(3)铸造过程的应力场数值模拟。,铸造过程的计算机辅助工程技术CAE是铸造技术发展的必然趋势，它可以提高产品的竞争力，缩短产品的开发周期，降低成本，为企业和社会带来巨大的经济效益。,2 精密锻造的模拟仿真,以精密锻造成形工艺制造零件可以缩短制造流程，节约材料和能源，减少废弃物的排放，所以被称为清洁制造技术之一。精密锻造成形产品的尺寸精度在15200m之间。例如，以净成形工艺制造的汽车齿轮，传动精度可达IT79级，齿厚误差0.05mm，齿冠与理论曲线的偏差0.010.03mm。影响精密成形工艺水平的基本变量复杂，为了达到与机加工匹敌的产品精度，需要多学科的研究与开发手段，计算机模拟仿真技术必然成为重要的工具之一，也是未来精密锻造的主要发展趋势之一。,3 焊接过程的模拟仿真,焊接结构一个特点是有较大的焊接应力和变形。在焊接生产中，大多数焊接方法采用局部加热，所以不可避免地将产生焊接应力和变形。焊接应力和变形不但能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且将影响结构的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性。还将影响结构的加工精度和尺寸稳定性。因此在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形是十分重要的。可见，对焊接应力和变形进行计算和分析有很重要的意义。而焊接又是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。这就使得计算机模拟仿真技术在焊接应力与应变分析中显得尤为重要。,焊接数值模拟主要包括几个方面：(1)焊接热过程的数值模拟;(2)焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟;(3)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟;(4)焊接应力和应变发展过程的数值模拟;(5)非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟等。焊接过程模拟仿真的意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接过程规律。根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量。针对复杂的大型结构，通过数值模拟可以大大地节约人力、物力和时间。,4 切削加工的模拟仿真,切削加工是一个很复杂的工艺过程，切削表面的残余应力和残余应变严重影响了工件的精度和疲劳寿命。但是，利用传统的解析方法很难对切削机理进行定量的分析和研究。而数值模拟技术在切削加工领域的广泛应用表明，其对了解切削机理，提高切削质量有很大的帮助。,切削过程的模拟仿真主要包括：(1)切削过程中塑性变形的数值模拟;(2)温度场和热力耦合的数值模拟;(3)切屑与刀具接触和摩擦的数值模拟;(4)切屑与工件分离和断裂的数值模拟;(5)工件表层残余应力和应变的数值模拟。通过以上的模拟手段，可以合理选择参数工艺中的切削速度，背吃刀量及进给率;对车刀几何结构(前角，后角和断屑槽等)进行优化设计。目的在于减小切削力，提高金属切除效率并改善加工表面质量，优化加工工艺等。,5 数控加工的模拟仿真,在数控机床培训和实际数控加工过程中，为了校验数控程序的正确性，需要进行反复试切直至确认数控程序能够完成预定的加工任务，同时数控加工参数也需要反复调试，这些操作不仅效率低下，占用机器资源，而且有可能引起刀具碰撞而造成经济损失。,通过计算机图形显示技术对数控加工过程进行模拟仿真以取代或减少试切的方法可以解决以上问题，进而降低培训与产品开发成本。这种方法如今在CAD/CAM中占据着越来越重要的地位。数控加工仿真技术的研究主要在于解决评估产品设计的合理性和高效地进行数控程序的调试和检验。,6 结论,计算机的发展使得模拟仿真技术在加工制造领域内的应用越来越广泛，对加工制造方式的变革产生了深刻的影响。通过对具体加工过程的数值模拟仿真分析，可以深入了解加工过程的机理，对于优化加工工艺，减少试验，提高产品质量，降低加工成本等有很大的意义，并能产生良好的经济效益。,元计算科技发展有限公司是一家既年青又悠久的科技型企业。年青是因为她正处在战略重组后的初创期，悠久是因为她秉承了中国科学院数学研究所在有限元和数值计算方面所开创的光荣传统。元计算的目标是做强中国人自己的计算技术，做出中国人自己的CAE软件。,元计算秉承中国科学院数学与系统科学研究院有限元自动生成核心技术（曾获中科院科技进步二等奖、国家科技进步二等奖），通过自身不懈的努力与完善，形成一系列具有高度前瞻性和创造性的产品。,元计算产品适用范围广泛，目前有国内外专业客户300余家，涉及美、加、日、韩、澳、德、新等国，遍布石油化工、土木建筑、电磁电子、国防军工、装备制造、航空航天等多个领域。,有限元语言及编译器（Finite Element Language And its Compiler，以下简称FELAC）是中国科学院数学与系统科学研究院梁国平研究院于1983年开始研发的通用有限元软件平台，是具有国际独创性的有限元计算软件，是PFEPG系列软件三十年成果（1983年2013年）的总结与提升，有限元语言语法比PFEPG更加简练，更加灵活，功能更加强大。目前已发展到2.0版本。其核心采用元件化思想来实现有限元计算的基本工序，采用有限元语言来书写程序的代码，为各领域，各类型的有限元问题求解提供了一个极其有力的工具。FELAC可以在数天甚至数小时内完成通常需要一个月甚至数月才能完成的编程劳动。,Thank you,