材料成形过程中的应用

研敏爻ｃ‘

２００８－０７

（中旬刊）

计算机模拟技术在材料成形过程中的应用

口

吴珍珍

（湖南女子职业大学湖南 长沙４１０００４）

摘要计算机模拟技术在材料科学领域中应用日益广泛，本文综述了这方面的研究现状。介绍了材料成形中计算机模拟技术的常用软件，并详述了其在液态金属成形、金属塑性成形、金属连接成形３方面的应用。

关键词计算机模拟金属材料材料成彤

中图分类号－ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ

引言

随着计算机技术的高速发展，已经可以通过事先的工艺设计和过程控制取代单凭经验积累和试错法方式来制备材料。计算机模拟是在计算机上通过系统模型模拟一个实际存在或正在设计中的真实系统，以再现（实现可视化）或分析（数值计算）真实系统的本质特征，作为理论与实践相补充的第三种有效手段和方法，目前它已

成为解决材料科学和工程中实际问题的重要手段。在计算机上进行的模拟实验，基本不受实验条件、时间和空间的限制，具有极大的灵

活性和随机性。而且它可以替代许多难以或无法实施的实验，解决～般方法难以求解的大型系统问题。

一、液态金属成形过程的计算机模拟

金属液态成形技术是材料通过改变物理状态，实现“固态一液态一固态”的转变，一次性成形来完成产品生产的工艺过程。其成

形工艺过程复杂，生产周期长，影响因素众多，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。数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行准确的计算以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容包括温度场、流场、浓度场、应力场的计算。目前采用计算机模拟技术可以实现对铸造工艺参数、设备和生产过程进行准确快速的检测和控制。通过计算机模拟技术实现了优化成形方法和工艺，以及对材料制备成型和加工全过程的精确设计和控制。铸造过程的计算机模拟开展较早，在技术上也比较成熟，已由宏观模拟进入微观模拟阶段，从上世纪９０年代初期至今，开展了微观组织形态的计算机模拟，可以模拟形核、生长过程，预报铸件凝固过程的晶粒形貌。目前铸造过

程的计算机模拟内容主要包括：（１）液态金属充型过程的数值模拟；

（２）凝固过程的数值模拟；应力场的数值模拟；凝固组织形成过程的数值模拟。经过多年的研究和开发，目前世界上已有一大批用于铸造过程的模拟的商用软件，见表１。

表１：铸造过程模拟软件软件名称

开发商

分析内容

ＦＬＯＷ一３Ｄ

美国流体科学公司

流动和传热

ＲＲＯＣＡＳＴ美国ＵＥＳ公司流动、传热、应力、组织

ＳＯＬＩＤＡ

日本小松制作所流动和传热

ｎ’一ｓＴＡＲ

中国清华大学流场、温度场

ＥＰＣＡＤ

华中科技大学

中小消失模铸件的浇冒设计ＰＡＭ－ＱＵＩＫＣＡＳＴ

法国Ｅｓｌ公司

快速评价铸造Ｔ艺

二、金属塑性成形的计算机模拟

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

程中的计算机模拟技术的应用是解决这个问题的有力手段，塑性成

形过程的计算机模拟是在计算机上对金属塑性成形过程进行实时

跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个过程的技术。其目的在

于通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变和组织等进行仿真，实现对工艺过程、毛坯形状以及模具结构的优化，可缩短研发周期，提高产品质量，延长模具寿命，降低成本。在国外，塑性成形数值模拟已成为某些大型企业新产品开发链条中不可缺少的一环，同时数值模拟对优化已有产品的生产工艺同样具有重要意义。随着计算机技术的飞速发展和数学算发的改进，三维模拟技术已日臻成熟．逐渐取代二维模拟技术，并开始在工业界得到推广应用，用来解决复

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万　

方数据文章编号：１６７２—７８９４（２００８）０７－２７６－０１

杂工件的成形问题。但它目前在应用中也还存在一些问题，如应用

范围的局限性、用户界面对友好性等，在应用需求和相关技术进步的推动下，塑性成形模拟技术必将获得更大发展。

图１：Ｍａｒｃ平台上建立的铜管图２：Ｄｙｎａｆｏｒｍ平台上建立的汽四辊行星轧制有限元模型

车横梁拉深成形的有限元模型

近年来，随着数值计算理论的发展和计算机技术的日新月异，

国内外相继涌现出了一大批功能各异，适用范围各有侧重的数值分

析类软件，在工程师们日常工程设计中，以有限元分析理论为基础工程设计软件也层出不穷。常用到的基于弹塑性本构关系的三维有限元分析软件主要有Ｍａｒｅ（图１）、ＡＮＳＹＳ、Ｄｙｎａｆｏｒｍ（图２）等，这些软件的基本方程都是基于Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标系丽写的。采用剐塑性本

构关系的有限元分析软件，如ＡＬＰｌＤ、ＤＥＦＯＲＭ、ＭＡＦＡＰ等软件，其

基本方程是对Ｅｕｌｅｒ坐标系而写的。

三、金属连接成形的计算机模拟

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。连接成形的计算机模拟主要指对焊接工艺过程的计算机模拟，

目前研究的领域包括焊接热过程，焊接冶金过程、焊接热应力、残余

应力和变形的模拟。焊接冶金过程的计算机模拟包括对焊缝金属的结晶过程、焊缝和热影响区组织的估计、最佳焊接条件的选择等的模拟，是目前在焊接中计算机模拟等最重要的课题。

目前焊接模拟方面商品化的软件也不少，其中最著名的软件公司是法国ＥＳＩＧｒｏｕｐ公司推出的焊接模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ。能充分模拟连接焊接、电阻焊接、淬火、热电化学处理和表面处理等过程。通过ＳＹＳＷＥＬＤ软件中的新型工程技术资料库，用户可模拟真实焊接过程。

结束语

计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、复合材料成形等各种材料成形领域，它在材料成形中的应用，使材料成形工艺从定性描述走向定量预测的新阶段，为材料的加工及新工艺的研制提供了理论基础和优选方案，必将推动材料学科的进一步发展。

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