|
1．热加工工艺模拟的研究方法及功能
一、进行热加工工艺模拟主要有三种方法：
1. 数值模拟（Numerical Simulation）
是最重要的研究方法。它通过能准确描述某一些热加工工艺过程的数理模型及对数理方程是简化求解，动态显示该工艺过程并预测过程的结果。依模拟对象及研究深度的不同，有一维、二维、三维之分；有宏观、中观、微观之分；可以是单一物理场，也可以是多种物理场的耦合。
2. 物理模拟（Physical Simulation）
是一种必要的辅助研究方法。它是按照相似原理，和相同或相似的材料制成试样，在相似的条件下进行试验，得出工艺过程的有关规律和数据、判据，并检验、校核数值模拟的结果。
3.专家系统（Expert System）
是近几十年来人工智能领域研究开发出的计算机系统，它把有关领域的专家知识按一定的结构表示成计算机能够利用的形式以优化工艺参数和设计。它包括知识库、推理机构及人机接口三个核心部分。由于热加工影响因素十分复杂，所以它也是数值模拟的一个有效补充。
二、热加工工艺模拟的功能
1. 动态模拟工艺过程
形象地显示各种工艺的实施过程及材料形状、轮廓、尺寸、组织的演变情况。
2. 预测工件的组织性能质量
预测在不同工艺条件下材料经成形改性制成毛坯零件后的组织性能质量，特别是能找出易发缺陷的成因及削除方法。
3. 优化工艺设计
通过在虚拟条件下工艺参数的反复比较，得出最优工艺方案。变传统工艺设计时优化工艺的途径（修改模具或修改图样）为在计算机上修改构思的处理方法。
2．热加工数值模拟的主要内容
数值模拟是热加工工艺模拟最重要的方法。它主要包括处理、模拟分析计算和后处理三部分内容。
1. 数值模拟的前处理
前处理的任务是为数值模拟准备一个初始的计算环境及对象。主要包括：
（1）三维造型 将模拟对象（铸件、锻件、焊接结构件等）的几何形状及尺寸以数字化方式输入，成为模拟软件可以识别的格式。由于目前已有商品化造型软件推出，除特殊情况外，一般可采用商品化软件，如Pro-E、UG、I-DEAS（工作站）；AutoCAD、Solid edge、Solid work（微机）等作为模拟的软件平台，进行前处理。
（2）网格剖分 按模拟的功能有精确度要求，将实体造型部分成一定细度的单元。零件尺寸越小，模拟尺度越接近微观，则要求剖分的越细。
2. 模拟分析计算
模拟分析计算是数值模拟的核心技术。按其功能，主要包括以下内容。
（1）宏观模拟仿真 目的是模拟热加工过程中材料形状、轮廓、尺寸及宏观缺陷（变形、缺肉、皱折、缩孔、气孔、夹渣等）的演化过程及最终结果。为达到上述目的，需建立并求解以下一些物理场的数理方程。
1）温度场。是进行热加工过程数值模拟最重要的物理场。可以直接预测铸件的凝固前沿及缩孔缩松的位置及大小，同时它也是其他所有物理场的计算基础。
对传热过程来讲，其数理方程表达为下：
（图片）
多采用有限差分方法计算，可以求出在热加工过程中材料的温度变化及各点的温度分布。
2）应力/应变场——位移场。是建立在弹塑性力学基础上的物理场。主要用于模拟金属的塑性成形过程及充不满（缺肉）、皱折、孔洞等缺陷的产生，同时可预测铸件、焊接件的应力分布及变形、裂纹等缺陷。一般采用有限元法求解。
3）流动场——压力场、速度场。建立在流体力学基础上的流动场（压力场、速度场），是模拟铸件充型过程的重要模型，用于预测铸件的冷隔、卷气、夹渣、冲砂等缺陷，优化浇注系统。
（2）微观组织及缺陷的模拟仿真 目的是模拟热加工过程中材料微观组织（枝晶生长、共晶生长、粒状晶等轴晶的转变、晶粒度大小、相转变等）及微观尺度的缺陷（混晶、偏析、氢致裂段等）的演变过程及结果。描述微观组织及缺陷演变的模型主要有：
1）随机统计模型。有Monte Carlo法和Cellar Automaton法，主要用于液→固转变时晶粒组织形成及生长的模拟。
2）相场方法（Phase Field Method）。通过微分方程反映液-固转变时扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用，可对金属液的凝固过程及组织的形成、生长进行真实的模拟。
3）相变场。是模拟金属热处理中组织转变的数理模型。要综合考虑相变与温度（相变潜热）、应力（应力诱发相变，相变应力及相变塑性的发生）的相互关系及影响。
4）特有缺陷预测模型。如描述热塑性加工过程晶粒度演变的动态再结晶模型（预测大锻件的混晶）、焊接过程局部氢浓度集聚扩散模型（预测氢致裂纹）等。
（3）多种物理场的耦合计算 要解决热加工实际问题，必须对上述各种物理场及方法进行局部或系统耦合。首先是宏观模拟层次中各种物理场的耦合，其中温度场是建立其他各种物理场的基础，常见的耦合有：温度场←→应力/应变场、温度场←→流动场。再次是把描述热加工过程宏观现象的连续方程（温度场、应力/应变场、速度场等）与描述微观组织演变的模型进行耦合。如：温度场←→相变场、应力/应变场←→相变场、温度场←→统计模型、温度场←→相场、温度场←→应力/应变场微观缺陷预测模型等多种宏、微观模型之间耦合。
3. 数值模拟的后处理
后处理的任务是将数值模拟计算中取得的大量繁杂数据转化为用户可以看得见、并且可以看出工程含义、可以用于指导工艺分析的图形图像和三维过程动画，即动态可视化。
3．热加工工艺模拟技术发展趋势
1. 宏观→中观→微观
材料热加工工艺模拟的研究工作已普遍由预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟（米量级）进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟（毫米量级）及微观尺度模拟（微米量级）阶段，研究对象涉及结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变等微观层次，甚至达到单个枝晶的尺度。
2. 单一分散→耦合集成
模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、相变场模拟普通进入到耦合集成阶段，以真实模拟复杂的实际热加工过程。
3. 通用、共性→专用、特性
由于建立在温度场、流场、应力/应变场数值模拟基础上的常规热加工，特别是铸造、冲压、锻造工艺模拟技术的日益成熟及商业软件出现，研究工作已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题，主要有以下两个方面：
（1）解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题 如铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等。
（2）解决热加工件的缺陷消除问题 应用模拟技术，已解决了大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断裂、起皱问题，目前的研究热点集中在铸件的热裂、气孔、偏析、大型锻件混晶；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、热裂；淬火中的变形等常见的缺陷的预防和消除方法的研究。
4. 重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究
数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟的精度和速度是当数值模拟的研究热点，为此非常重视热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得也积累等基础性研究。
5. 重视物理模拟及精确测试技术
物理模拟是揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。有以下一些新的动向：
1）应用高新技术，设计、开发新型物理模拟实验方法及装置。
2）正确、合理处理数值模拟与物理模拟（含实验验证）之间的关系 一是根据模拟对象，合理确定两者的应用比例；二是扬长避短，发挥两者的不同特长；三是高度重视基础数据的测试技术，包括工件及模具（或铸型、介质、填充材料等）材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据。
6. 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分
起初，工艺模拟多是孤立进行的，其结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小批量毛坯生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系统中，实现以下三种不同方式的集成。
1）与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成。
2）与零件加工制造系统集成。
3）与零件的安全可靠性能预测实现集成。
4．热加工工艺模拟与优化设计技术的应用前景
热加工工艺模拟及工艺优化设计技术有十分广阔的市场需求，其可望的应用场合及前景有：
1）单件小批生产的毛坯件（特别是关键大件）。确保一次设计、制造成功。
2）大批量生产的毛坯件。减少试模次数，进而确保一次试模成功。
3）多品种变批量生产的毛坯件及时改变并优化工艺设计，快速响应市场变化，适应柔性生产。
4）服役条件严苛，产品结构及制造工艺复杂的毛坯件。预测工艺过程质量，消除缺陷，优化工艺过程。
5）先进生产系统的技术基础。作为快速设计制造、虚拟设计制造、分布式设计制造的技术基础及重要的技术环节，在上述先进生产系统中发挥作用。
6）科学研究的必备手段。工艺模拟作为研究开发新工艺的常规方法及实验的必要补充，在研究开发工作中也将发挥重大的作用。
6/25/2004
|
