加工过程的数值模拟作业

材料加工数值模拟论文专业：材料加工姓名：闫禹伯学号：2013432109目录第一章．铸造过程的数值模拟分析传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。一．铸造过程数值模拟的发展现状计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。二．数值模拟在铸造过程中的应用数值模拟的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充型、凝固过程的计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于20世纪60年代，现已经进入了工程实用化阶段。目前CAE商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。（一）充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。（二）缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用G／L，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。（三）凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。（四）凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之一。这些方法虽能在一定程度上比较准确地模拟合金的凝固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。场相法是研究直接微观模拟的热点，主要的模拟模型有三种：MonteCado(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型。现有研究领域中球铁的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路。三．铸造过程数值模拟在生产中的应用铸造CAE技术是根据设计出的铸造工艺对铸件进行充型和凝固模拟并将模拟结果进行可视化处理，预测铸件可能产生的缺陷。目前，凝固过程的温度场模拟以及缩孔、缩松预测已经应用于实际的生产当中。在充型、应力分析及微观组织等方面也取得了很大的进展随着铸件结构的日趋复杂化和大型化，对铸件的外在和内在质量要求也越来越高。铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，已取得了很大的进展，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。大量的商品化软件的出现及其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等；到目前为止，典型的商品化软件有Ansys、LS—DYN3D、Procast、ViewCast等。铸造过程仿真模拟可以协助铸造工艺师改进工艺设计，提高铸件的质量。长期以来铸造工艺设计师就有一愿望，即在浇注之前能够调试和改进工艺，直到所设计的工艺方法能获得高质量的铸件再进行实际浇注。凝固模拟技术就有可能提供给铸造工艺设计师这样一个有力的工具，使其可以根据凝固模拟所显示的可能出现的缺陷和位置加以改进直至满意为止。没有凝固模拟这样一个有力的工具，铸造工艺设计师就只能先试浇，浇注完之后根据铸件的具体情况加以改进设计，修改模型。这样，不仅增加了试制费用而且延长了样件试制周期。如果在正常生产线上试制有可能影响正常生产。因此有的铸造厂专设了样件试制部门以保证样件的质量和进度，但除了对正常生产影响小以外，试制费用和样件试制周期无显著改进，而且还增加投资和费用。铸造过程计算机模拟及优化技术可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力，是改善企业T(上市时间)、Q(质量)、C(成本)、s(服务)的必要手段，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。铸造生产出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关，铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形象准确地描述这一复杂的变化过程，显示铸件凝固过程中所发生的温度变化和液固态变化，并预测出可能发生的缩孔、缩松等缺陷。仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。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量5～15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、增加投入设备利用率30～60、缩短产品设计和试制周期3O～60等。四．铸造过程的计算机模拟4.1铸件充型模拟铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷．如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，铸造过程计算机模拟能够较为准确的反映充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免铸造缺陷的形成具有重要的意义。在铸造工艺设计中，我们可以直观地发现一些不合理的设计．并提出工艺改进．使铸件一次浇注成功。4.2铸件凝固模拟铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都是在铸件凝固过程中形成，因而．比较精确的再现铸件的凝固过程．对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要。铸造过程仿真模拟能够预测铸件的缩松和缩孔缺陷。4.3疏松缺陷的预测Procast采用Niyama判据预测疏松．即疏松形成的条件为M=ArbGcLd当a=1；b=0；c=1；d=-0.5时；M=G／L〈临界值；判据中G为温度梯度，L为冷却速度，此处临界值取1．0，在凝固过程中因枝晶阻碍液体金属的流动而不能有效地补缩，容易产生疏松缺陷。4.4模拟步骤(基于procast)1、创建模型：可以分别用IDEAS、UG、Pro/E、PATRAN、ANSYS等作为前处理软件创建模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式的文件。2、MeshCAST：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。3、PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.dat文件和xxp.dat文件。4、DataCAST：检查模型及Precast中对模型的定义是否有错误，输出错误信息，如无错误，将所有模型的信息转化为二进制，生成xx.unf文件。5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。6、ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。7、PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。第二章．锻压过程的数值模拟数值模拟技术在金属塑性加工中的作用有两个方面:第一，在工艺设计和模具设计阶段可以对设计进行试运行，并找出设计中的错误，将实际生产中的工艺修定和模具修改降低到最小程度；第二，在产品制作中可以大幅度降低制作成本。数值模拟技术可以将看不见的研究对象进行可视化处理，因此是金属塑性加工设计和研究的有力工具，其作用非常之大。基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势，如适合于各种复杂的边界以及非线性问题等，在塑性加工领域获得了最广泛的应用。其主要目的是用来优化工艺过程、提高质量、缩减产品的研发周期以降低成本及提高生产率。一．研究背景锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好的力学性能。随着科技发展,锻造成形工艺面临着巨大的挑战，各行业对锻件质量和精度的要求越来越高,生产成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计,大多仍然采用实验和类比的传统方法,不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展,运用有限元法数值模拟进行锻压成形分析,在尽可能少或无需物理实验的情况下,得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息,并据此设计工艺和模具,已成为一种行之有效的手段。锻造成形大多属于三维非稳态塑性成形,一般不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理。在成形过程中,既存在材料非线性,又有几何非线性,同时还存在边界条件非线性,变形机制十分复杂,并且接触边界和摩擦边界也难以描述。应用刚粘塑性有限元法进行三维单元数值模拟,是目前国际公认的解决此类问题的最好方法之一。随着有限元理论的广泛应用和计算机技术的快速发展,运用有限元法数值模拟对锻压成形进行分析,在尽可能少或无需物理实验的情况下,得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息,并据此设计成形工艺和模具,成为提高金属成形效率和生产率的行之有效的手段。由于锻造成形的制件大多属于三维非稳态塑性成形过程,在成形过程中,既存在材料非