材料成型现代模拟技术

材料成型现代模拟技术报告名称：材料成型现代模拟技术年级专业：机电工程学生姓名：刘若兰学号：z20149265材料成型现代模拟技术摘要：论述了材料成型计算机模拟技术在材料成型领域特别是复合材料制造技术、金属液态成形工艺、金属塑性成型工艺、连接成型工艺、几大领域的应用和目前的发展趋势与方向。关键字：计算机模拟技术金属液态成形工艺金属塑性成型工艺连接成型工艺复合材料制造技术趋势正文:近20多年来，材料成型技术的计算机工艺模拟技术得到迅猛发展，成为该领域最为活跃的研究热点及技术前沿。复合材料制造技术的数值模拟在国内现有加工条件下，复合材料构件的试验周期长、制造成本高，产品性能难以达到现代航空业对复合材料性能的苛刻要求，严重阻碍了我国民用航空业的发展。因此，用于大飞机的高质量、低成本复合材料成型技术中存在的问题亟待解决。随着计算机技术的飞速发展，国内外众多企业竞相采用数值模拟技术对复合材料构件进行虚拟设计，将设计和制造融为一体，从而实现模具设计、工艺过程控制及参数优化。本文通过采用计算机软件对几种常见复合材料成型工艺（如RTM、热压罐成型）进行数值模拟，阐述了数字化仿真技术在复合材料构件制造中的研究进展。RTM的数值模拟技术通过计算机模拟实际生产过程来优化和确定模具设计、材料及工艺参数。RTM成型工艺包括树脂注射流动、固化反在DARCY定律的基础上引入初始条件和边界条件，借助有限元理论，可求得某一时刻树脂区域内的压力分布。同样，通过建立温度场模型得到温度分布的微分方程后，引入初始和边界条件，借助有限元和控制体位法求解，可得出模腔中树脂在不同时刻的温度分布。根据温度分布结果，结合树脂固化反应动力学模型，可知不同时刻树脂的固化度。注胶口和溢胶口位置及数量的选择和设定是RTM模具设计的关键，因为它不仅关系到RTM的成型工艺过程，还直接影响成型构件的质量。为了优化模具设计，确定工艺参数，应设计出几种方案，利用复合材料软件进行工艺仿真研究。在进行树脂注射过程仿真分析时，由于纤维不进行力学性能分析，所以只需输入纤维的密度、热导率和热膨胀系数；分析树脂注射过程时需确定材料的密度和粘度；还要结合试验及相关资料，定义成型过程的工艺参数。计算机能有效地处理非牛顿流体的复杂技术计算和传热计算，典型的例子有:决定混合机、挤出机的最佳参数，进行螺设计计算以及片材、管材、异型材挤出加工模具的设计计算。此外，还能对提高电线电缆、管材、片材等的化学交联，对化学或物理发泡的反应装置或冷却装置的设计和操作条件进行计算。由于注射成型过程中塑料熔体的流变行为复杂，加之流动前塑化不均匀以及充模后冷却不均等原因，注塑件内部经常存在不均匀的结晶、取向和收缩，导致内应力的产生，影响注塑件的使用性能，严重时还可能造成注塑件报废。影响注塑件质量的因素很多，当成型材料、成型设备确定以后，注塑过程中的温度、压力和时间的选择和控制就成为最关键的因素。为确保注塑件质量，降低生产成本，在生产之前利用计算机对熔体的流动情况进行模拟是非常必要的。金属液态成型计算机模拟技术金属液态成型技术是材料通过改变物理状态，实现“固态-液态-固态”的转变，一次性成型来完成产品生产的工艺过程。其成型工艺过程复杂，生产周期长，影响因素多，质量难以控制。而计算机的迅速发展使得解决这些长期阻碍铸造生产发展的问题成为现实。20世纪60年代初，丹麦的Forsund把Dusinberre等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国Michigan大学的Marrone等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。进入20世纪80年代以来，计算机模拟技术更是得到了飞速发展。一方面由于研究过程中不断建立新的数学模型和各种判据，使模拟计算结果不断近似于实测结果，另一方面，由于凝固基础理论研究所取得的新成果，使宏观模拟计算与微观的结晶过程有机结合成为可能，并取得了突破性的成果。铸件凝固过程的数值模拟铸件凝固过程的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、固相率凝固时间等，用一系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔缩松的部位及大小、产生的时间等。通过这种预测可对所制定的铸造工艺方案进行修改，再通过数值模拟进行验证。数值凝固模拟可使浇注系统的设计更为准确，更具科学性，而且，大大缩短了设计的周期，减少了工装模具的反复修改。铸件充型过程的数值模拟铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括:流量的分布、流速的分布以及由此而导致的铸件温度场。金属塑性成型计算机模拟技术金属塑性成形中涉及到复杂的物理现象和模具形状，难以进行精确的理论分析。如何及时和正确地评价工艺和模具设计的可行性，以保证生产出合格的产品，还没有得到很好的解决。塑性成形过程的计算机模拟技术的应用是解决这个间题的有力手段，但它在应用中还存在一些问题，如应用范围的局限性、用户界面的友好性等。在应用需求和相关技术进步的推动下，塑性成形模拟技术近年来呈现出新的发展趋势。新的计算方法包括显隐结合算法、动力显式算法中虚拟惯性效应的处理和无网格算法。塑性成形一般为准静态过程，传统的模拟计算方法是采用静力隐式算法。静力隐式算法在理论上是严格的，当成形过程中加速度的影响不能忽略时，要采用动力分析方法。对空间域进行有限元离散化，而对时间域的离散则可采用中心差分方法，建立显式的有限元方程，不需迭代求解。如果采用对角化的集中质量矩阵和集中阻尼矩阵，则得到解耦的分立方程组。这时当节点数增加时，存储量和计算量只是随之呈线性增大，这对于分析大规模的工程问题十分有利。根据动力松驰法的原理，动力系统经过渡过程后的稳态解与静力解是一致的。因此动力显式算法也可用于分析静力问题。动力显式算法处理强非线性间题和大规模工程问题的能力，使它十分适宜于塑性成形加载过程的模拟。除了弹性有限元法以外，它也被成功地应用于刚塑性有限元模拟。实际上，回弹过程主要是一个线性问题，而且可以不考虑接触。可采用无条件稳定的隐式算法。将加载过程的动力显式分析与回弹过程的隐式分析结合起来，就构成了一种十分有效的塑性成形模拟方法。采用动力显式算法模拟塑性成形过程时的虚拟惯性效应，是为了减少计算时间的需要人为地提高工具速度引起的，它会使求得的解偏离真实解，而偏离的程度与工具所受的约束有很大关系。工具对工件的约束对于虚拟惯性效应有抑制作用。例如在板材成形模拟中，模具对板料的约束很强，这时即将冲头速度提高1-z个数量级。所得结果与静力解仍较接近。模拟工件变形程度很大的成形过程时，由于大变形造成严重的网格畸变，必须不断地更新网格以保证计算的正常进行。网格重分使计算过程中断，影响计算效率和精度。无网格算法〔meshless)为解决网格畸变问题提供了一种新途径，采用该算法则计算不受网格畸变的影响，它的优点是不需要考虑节点之间的拓扑关系，因此可在变形集中区域随意地增加节点密度以提高计算精度。焊接成型计算机模拟技术焊接技术是基于物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学以及计算机、控制理论、人工智能等信息科学等多学科交叉融合的产物，其过程复杂，焊接过程影响因素多，需要计算机辅助设计实现焊接过程的全面控制。特别是对于焊接环境危险，工作条件恶劣的情况特别需要计算机模拟技术和实现人的智能行为实施焊接工艺制造。焊接智能化技术包括采用智能化途径进行焊接工艺知识、焊接设备、传感与检测、信息处理、过程建模、过程控制器、机器人机构、复杂系统集成设计的实施，可见焊接智能化技术是综合的系统集成技术。智能化传感技术要实现焊接自动化、机器人化及智能化，传感技术是关键环节之一。焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的神经。焊接传感器按其使用目的可分为测量和检测操作环境、检测和监控焊接过程两大类。¹焊接区直接视觉信息传感，包括利用辅助光源的主动式视觉检测方法和无辅助光源的被动式直接视觉传感:直接视觉传感在焊接中的应用包括离线确定被焊工件的位置;在线补偿由于固定精度、机器人各部分的容差、焊接过程中的焊件变形引起的焊接路径偏差;焊接过程控制中的焊接接头和熔池几何形状的实时传感;熔滴过渡形式的监测等。º脉冲GTAW焊熔池正反面视觉图象同时同幅传感系统，包括堆焊熔池正反面同时同幅成像和填丝脉冲GTAW熔池图象:对熔池正反两面视觉图象进行同时同幅传感，经过图象处理提取出熔池正反两面的特征信息。实现对焊缝的熔透状态和反面焊道稳定成形质量控制的目的。在填丝脉冲GTAW过程中，为实现熔池形状动态控制，如熔池反面宽度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度参数。根据获得的焊接熔池图象，通常只能获得关于熔池的二维形状信息。由单目图象恢复物体表面高度算法-由阴影恢复形状算法获取熔池表面高度的方法是最新研究方向。参考文献[l]孙秉忠挤出螺杆的计算机模拟设计塑料加工20l3,10(1):48[2]李宏生，等。计算机模拟口模截面中塑料熔体的流动状态。中国塑料，2000，14(12):85[3]李鹏，等。同向啮合双螺杆挤出机捏合块流道三维流场分析·中国塑料，2000，14(3):7[4]贾毅，等。计算机模拟机头内塑料熔体的流动状态中国塑料，2000，14(3):49[5]应上进。材料热加工工艺模拟技术的现状及发展趋势[J]。江苏煤炭，2002，(3):22-23[6]房贵如。材料热加工工艺模拟研究的现状与发展趋势[J]。机械工程师，1999，(3):26-30[7]张毅。铸凝固数值模拟及铸造工艺CAD现代进展[J]。铸造，1987，(6):8-12[8]王云爱，沈丙振。铸造工艺CAD系统数据库集成过程中相关标准的应用[J]。热加工工艺，2004，(1):47-49。[9]许庆彦柳百成。铸造合金凝固组织的计算机模拟与预测[J]。稀有金属材料与工程，2003，(6):31-37。[10]董湘怀，郑莹，兰箭，等。金属塑性成形计算机模拟的若干进展[J]。金属成形工艺，2000，(1):1-5。[11]BoothroydG，DewhurstP。ProductDesignforManufactureandAssembly。Computer-aidedDesign。1994，26(7):165~173[12]TannerJP。ManufacturingEngineering。MarcelDekkerinc。1991:69[13]成曙，张振仁，李晓建，王放。基于知识的汽车电气设备智能故障诊断系统。计算机应用研究。2004，(2):170~172[14]SamuelPO。PartDesignUsingManufacturingFeatures。JournalofIntelligentManufacturing。1994:200[15]VenkatachalamAR，JosephM，MellichampDM。AKnowledge-basedApproachToDesignforManufacturabilityJournalofIntelligentManufacturing。1993:306[16]ChuHentyWStoll。DesignforManufactureManufacturingEngineering。1988:203[17]SuhNP，RinderleJRQualitativeandQuantitativeUseofDesignandManufacturingAxioms。AnnalsoftheCIRP。1982:369-376[18]XueD，DongZ。DevelopaQuantitativeIntelligentSystemforImplementingConcurrentEngineeringDesign。JournalofintelligentManufacturing。1994:347[19]CutkoskyMR，TenenbaumJM。TowardaFrameworkforConcurrentDesign。Inte