1、計算機在材料加工中的應用摘要：本文介紹了計算機模擬在材料加工過程中的發展趨勢，它將為企業參與激烈的市場競爭并取得成功提供重要手段，計算機模擬技術必將在未來材料加工技術中起到舉足輕重的作用。關鍵詞：材料加工；計算機模擬；虛擬制造；Abstract：This paper has reviewed the developmental history and the important role of computer simulation of materials processing in manufacturing industry for current and proposed materi

2、als process applications as well as typical variables interrelate with specific process elements and the capability and payoff of process simulation for these same applications. Keywords：material process，computer simulation，virtual manufacture1 前言隨著時代的發展，世界制造業面臨市場開拓和技術發展兩大挑戰。高質量、低成本、短周期的先進制造技術是制造業的發

3、展方向，它的科學性、先進性、正確性和敏捷性對于國民經濟的發展非常重要。虛擬制造技術的出現是先進制造技術的重要標志之一1-2。虛擬制造與實際制造有本質區別，它是在計算機防真與虛擬現實技術的支持下，在計算機上進行產品設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗等，是在計算機上實現將原材料變成產品的虛擬現實過程， 使得制造技術走出主要依賴于經驗的狹小天地，進入全方位預測，力爭一次成功的新階段，從而縮短產品周期，減少費用，提高質量。材料加工是先進制造技術中重要的組成，它的應用涉及航空航天、汽車、石化、軍事等事關國民經濟的重要產業。在我國加入世貿組織之后，我國的制造業面臨更多更大的機遇與挑戰。材料加工與

4、以切削為主體的冷加工相比，其特點是: 從質量評價標準上，在保證零件尺寸形狀精度和表面質量的同時，更注重保證零件和結構內部組織性能和完整性; 在產品和零件設計上， 更強調針對復雜型腔和曲面的能力; 在工藝過程中， 除了運動和外力作用等因素，還涉及溫度場、流場、應力應變場及內部組織的變化; 生產環境惡劣，控制因素多樣。以上特點反映了材料加工過程對綜合自動化和信息集成的需求和復雜性，因此，充分了解材料加工計算機模擬的重要性及其發展趨勢，對于推動我國制造業的科技進步，縮短產品的開發和加工周期，快速響應市場，提高競爭能力，真正體現高速、高效、高質的制造優勢，具有重要的意義。2計算機模擬技術的發展計算機模

5、擬是制造業發展的產物。以有限元方法為基礎的計算機模擬技術是20 世紀技術發展的巨大成果，在工程物理科學的各個分支領域都起著十分重要的作用。新材料、新工藝、新產品、高要求、高精度、低成本的現代制造模式要求深入了解和掌握材料成形機理、過程變化，在計算機上實現過程顯現，開拓科學的工藝和設計方法，實現最優設計與制造。因此，計算機數值模擬技術以及以此為基礎的優化設計方法研究成為當今和今后國內研究的熱點。2. 1宏觀模擬向微觀模擬深入我們知道在工程中使用的金屬材料大多數為多晶材料，材料的微觀組織形態直接影響零件的機械性能和物理性能，所以選擇合理的加工工藝參數十分重要。材料加工過程微觀組織的計算機模擬由于具

6、有描述分子級尺寸水平的能力，這將對控制材料晶粒大小及分布，進一步了解位錯的產生和運動、晶界結構、防止內部空洞和微裂紋的萌生和擴展等問題提供了新的方法3-4 ，將大大推動材料微觀結構研究的進展，并對確定優化材料加工的工步數和順序、熱處理方案十分有益。此外，在金屬成形過程中，適用的優化準則對材料最終的力學性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優化坯料形狀或預成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。為此，一方面要要研究合適的優化設計變量的選擇，包括影響終鍛件力學組織性能的狀態變量和過程變量，即形狀設計變量和速度設計變量。另一方面要研究和建立微觀組織優化設計的目

7、標函數，該目標函數考慮晶粒尺寸大小及分布，再結晶晶粒尺寸、再結晶程度和無再結晶部分的晶粒尺寸及其體積分數。2. 2高精度、高效三維有限元模擬近二十年間，以有限元法為核心的數值模擬技術在金屬塑性成形領域中應用， 所采用的理論體系從小變形彈塑性有限元理論、剛-(粘)塑性有限元理論， 到現在的大變形彈-(粘)塑性有限元理論， 分析技術發展迅速， 逐漸趨于成熟。采用大變形彈-(粘)塑性有限元法分析金屬成形問題， 不僅能按照變形路徑得到塑性區的發展情況， 工件中的應力、應變的分布規律，以及幾何形狀的變化， 而且能有效地處理卸載， 計算殘余應力、殘余應變， 從而可以分析和防止產品的缺陷等問題，符合金屬成形

8、對于精密化模擬分析的要求。目前，二維大變形彈-(粘)塑性有限元法模擬技術已日趨成熟，并已在工程中得到成功的應用。但大變形彈- (粘)塑性有限元法是建立在有限變形理論基礎上的，需要對變形梯度進行多次分解，從分析金屬成形過程的角度出發，計算工作量大，而金屬成形過程通常是在高溫下進行的，工件在發生變形的同時伴隨有溫度的變化，因此，在分析金屬成形過程模擬中，還必須考慮溫度的影響，即進行溫度場與變形場的耦合計算， 特別是工程中可以簡化為二維分析的問題并不多，三維模擬是必然趨勢，三維問題分析在數學模型和圖形處理上的復雜程度大大增加，由此引起的計算量猛增， 比二維問題的計算量高出幾十倍甚至上百倍，這對于計算

9、機存儲量的要求也隨之增加。近年來， 由于計算機軟硬件技術的迅速發展和數值計算方法的不斷完善， 使三維問題的分析成為可能。一方面，人們在研究提高計算速度的方法，開發了大規模計算問題的并行計算方法( Parallel Computation) ，利用并行處理機中多CPU 可同時工作的特點，配以軟件編程中的并行處理方法，使計算速度大為加快，目前國際上許多商業軟件都推出了并行版，如ANSYS、MARC、LS-DYNA3D 等; 另一方面人們在研究改善計算方法，眾所周知，金屬成形過程中，坯料的變形特別大，若采用更新的拉格朗日法( Updated Lag rang ian Method) 進行計算時10，

10、初始劃分的單元網格逐漸畸變，若將已經畸變的網格形狀作為增量計算的參考構形，將導致計算精度降低，甚至引起不收斂，為克服上述問題，通常當網格畸變到一定程度后，必須停止計算，重新劃分適合于計算的網格，通過新舊網格間信息場量的插值傳遞，再繼續進行計算，要完成一個成形問題的模擬，通常需要多次重劃網格，這將導致計算量的增加和由于多次插值帶來的計算精度的降低，因此，許多研究開發人員正致力于改進三維網格重劃的自適應能力和自動化程度，改進新舊網格間信息傳遞的插值方法，取得了可喜的進展。同時，開發了ALE法( Arbitrary Lagrangian Eulerian Method) 和顯式解法( Explici

11、t Solution)11 ， 而ALE 法不再象Lagrangian公式中將網格固定在材料上，而是不依賴于材料的運動而移動，因此可控制網格的幾何形態，ALE 通過利用高階的技術不斷進行網格重劃，從而避免上述問題，提高計算速度和精度，這對于為提高計算精度和效率而進行的網格細劃十分有利，該方法已在MSC/ DYTRAN、Press Form 等軟件中得到成功的應用，而顯式解法主要是為解決非線性問題隱式求解時為保證求解精度需反復迭代，使計算量猛增的問題，目前該方法已成功地應用于LS-DYNA3D 中12。另外， 隨著計算機軟硬件的迅速發展， 計算速度問題也將逐步得到解決。到目前為止，二維大體積金屬

12、成形過程有限元模擬技術已趨成熟，國內外先后開發了許多商品軟件，這些軟件多適用于二維問題、偽三維問題及簡單三維問題的分析。通過使用彈-塑性-實時響應模型，可確定完整的應力、應變和撓曲變化狀況，殘余應力也容易被計算。近年來，金屬成形工業對三維過程模擬提出了更高更精確的要求。對于處理復雜三維金屬塑性成形問題，雖然存在模具型腔幾何形狀描述、動態邊界條件及網格重劃等技術難點5 ，隨著計算方法的完善和計算機技術的進步，開發出使用便捷且適用范圍廣的三維有限元程序已成必然。一方面研究提高計算速度的方法，通過計算機技術中多個CPU 可同時運行的并行處理技術和軟件編程中的并行處理方法，開發大規模計算問題的并行計算

13、方法，從而大大提高計算效率;另一方面不斷完善計算方法，對于影響三維模擬精度的若干技術問題，如初始速度場的生成、摩擦邊界條件的處理、剛性區和塑性區的區分、縮減因子的確定、收斂準則的選擇和熱力耦合等問題，在保證求解精度和效率的前提下，均可采用二維有限元模擬中相關的算法和處理技術。而模具型腔幾何形狀描述、動態邊界條件及網格生成和重劃等技術難點與二維模擬相比有較大的區別，這些問題處理的正確與否將直接關系到模擬分析的可靠性和求解效率。因此，人們在不斷地尋求解決的方法。Cho等6為了解決復雜三維問題，采用考慮熱傳導的三維熱黏塑性有限元模型，將一個無法用解析式描述的任意復雜形狀的模具表面，通過Ferguso

14、n分片，用一個分片連續的形式給出，將被網格重構的變形體分為表面自適應層和中心區兩部分，提出一種基于體適應映射法的三維網格重構技術。所提出的網格重構方法是以產生線性八節點六面體單元為基礎的。在表面自適應層上自動產生網格后，中心區通過體適應映射法自動生成網格，并對萬向節的熱鍛過程進行了完整的模擬。此外，在計算機上處理三維金屬成形，還需進一步提高模擬的可視化水平，擁有良好的用戶界面是非常重要的。隨著計算機裝載了三維圖形處理程序及計算速度和硬件水平的提高，可在前后處理中大量應用可視化技術，用戶在二維屏幕上可直接觀看物體的三維圖形和數據。在金屬成形過程模擬中，可通過采用切片技術和鏡像顯示技術觀測物體某一

15、橫截面或整個結構的變化情況，點跟蹤技術可使用戶了解在成形過程中原始材料上任意點的流動情況，同時繪制這些點的過程參數變化曲線圖。2. 3單目標優化設計到多目標優化設計滲透金屬材料的成形通常在高溫下進行，工件塑性成形是一個復雜的熱力學過程，受到應力應變分布不均勻、硬化和再結晶等因素的影響，而工件的形狀和尺寸精度及其內部質量和性能決定著產品質量。熱處理過程作為材料加工中不可缺少的環節，是一個包含溫度、相變、應力/應變相互作用的復雜過程，是一個多機制綜合作用的過程。對其進行組織性能預測的數值模擬，首先必須通過大量實驗，使模擬技術建立在可靠的試驗數據基礎上，建立準確的數學模型，將組織場-變形場-溫度場三

16、者進行耦合計算，將成形過程與熱處理工藝的模擬與質量控制相結合，使模擬結果更準確。由此可作為參考對影響成形過程和熱處理工藝的各種工藝參數進行綜合優化設計，以適應先進制造技術的要求(高精度、高質量、高效率)。2. 4虛擬制造系統的開發現代化制造加工業的目的應是適應全球市場需求， 目標應是應用CAD/CAE/CAM技術來實現優質、高效、低費用產品生產。為適應現代化制造業中要求柔性化、快捷、低成本及高質量的要求，在生產設計中互相借助彼此硬件和軟件技術，把最先進的技術集中起來不失為一種好的解決方法。但這種集成與常規的集成技術不同，它是虛擬的，是一種并行工程思想與先進制造技術的綜合體現。它主要包括: 1、

17、敏捷制造(AM) :利用“競爭合作/合同”機制，發揮局部特長; 2、并行工程(CE) :實現同步設計、加工、核算和管理; 3、專家系統( ES) :實現領域知識和復雜問題的評價和求解; 4、網絡技術及先進的管理系統(NT-MS) :實現先進集成技術的最快捷的手段。圖1 為虛擬系統的結構圖。基于虛擬系統的制造業，將是21 世紀市場上一種較好較快實現產品的運營方針，可大大減低新產品開發風險，提高經濟效益，最終使企業在激烈的市場競爭中立于不敗之地。圖 1圖 1虛擬系統的結構圖2. 5反向設計技術與專家系統在某一給定的成形工藝中， 最終產品的材料狀態和幾何形狀取決于諸多工藝參數( 加載條件、模腔形狀、

18、模具潤滑條件、初始坯料幾何尺寸等) ， 若考慮某些工藝參數固定不變， 則通過對另一些工藝參數的反復模擬和修改， 以得到所希望得到的最終產品的材料狀態和幾何尺寸， 成形工藝的設計可認為是對于初始坯料和隨后的各預成形坯及模具的設計， 但這種反復迭代的方法需要花費大量的計算時間是極不經濟的。八十年代中，S. Kobayashi 等系統研究了這一問題， 提出了反向模擬技術( Backward Tracing Technique) ，即從一給定的最終形態， 沿著相反的加載路徑， 反向模擬實際的工藝過程，該方法為工藝設計開辟了新途徑。近十年來，反向模擬技術得到了一定的進展和應用，但始終沒取得突破性進展，其

19、主要原因是從最終形態反向模擬時，無法給定初始場量，因此獲得的初始毛坯設計在理論上存在缺陷，無法估計設計所帶來的誤差。近年來， 工藝設計與優化的技術取得了新的進展，提出了敏感性分析( Sensitivity Analysis) 的反向設計方法( Inverse Method) ，該方法將預成形設計和模具設計問題處理為優化問題， 用嚴密的數學公式進行描述，將優化問題的目標函數定義為一組給定設計變量中所希望的最終狀態和數值計算狀態之間的誤差的某種度量，敏感性分析是一種廣泛用于計算目標函數梯度的方法，由于所求解的問題高度非線性并具有歷史依賴性， 因此，最適合應用直接差分法( Direct Differ

20、entiation Method) ， 控制方程直接由敏感性場的場量公式差分得到。該方法已成功地應用于坯料和模具形狀的優化設計中。另外，在材料加工領域中，許多設備和工藝問題主要還是利用已經總結出來的經驗公式和參數， 加上仍存在于專家頭腦中的經驗知識來解決。在實際生產中，經驗知識的運用往往多于數學分析運算，且很有效，因此，如何充分發揮這些知識的作用，充分利用這一資源，具有非常重要的意義。專家系統就是很好的解決方法，它利用知識的顯式表示、事實和推理技術，以解決通常需要專家才能解決的問題。一個典型的專家系統包括: 知識獲取的裝置，收集專家們在該領域的規則和知識，這一裝置也包括規則編輯器，允許用戶改進

21、現有規則和增加新的規則; 存儲事實和規則的數據庫，該數據庫通常可與其它數據庫系統結合；一個推理機，以確定如何應用知識規則來解決問題：一個用戶界面， 以允許非專家的用戶使用該系統來解決特殊問題。該方法正廣泛應用于材料加工的工藝設計中。2. 6新模擬技術開發數值分析的巨大成果是有限元方法。但是，當網格高度畸變時，這種以單元作為基本概念的方法卻有許多難以處理的問題，主要原因是網格的存在妨礙了處理與原始網格線不一致的不連續性和大變形。在處理這類問題時，有限元法通常采用網格重構，但這樣不僅計算費用昂貴，而且會使計算精度受損13。為解決上述問題，近年來，一種新的無網格數值方法正在迅速發展。無網格方法將連續

22、體離散為有限數目的質點，位移場函數在沒有明顯網格的情況下通過這些質點的插值得到，該方法僅采用基于點的近似，而不需要節點的連續信息，不僅避免了繁瑣的單元網格生成，而且提供了連續性好、形式靈活的場函數，具有前后處理簡單、精度高等方面的優點。在處理彈塑性、裂紋擴展、移動界面、高速碰撞以及具有大變形特征的工業成形問題時具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。無網格方法以其在場函數近似、局部特征描述等方面特有的優點，越來越受到國內外學者的關注，呈現出強勁的發展勢頭，具有廣闊的應用前景和重要的研究價值。3結語先進制造技術是制造業賴以生存、國民經濟得以發展的主體技術，以制造技術為焦點的技術競爭已在全球展開。計算

23、機模擬技術使制造技術走出從前主要依賴于經驗的狹小天地，進入全方位預測，力爭一次成功的新階段，從而實現有效的現代工程設計和迅速的新產品開發。隨著計算機模擬技術的不斷完善發展，它將繼網絡技術和數據庫技術后成為21 世紀材料加工技術的又一技術支撐環境。參考文獻:1Aliheimer W E ， Shahinpoor M， Stanton S L. Virtual Manufacturing R . Al bupuerpue ， New Mexico. USA ， 1995.2Hatamura Y， Nagao TMitsuishi . A fundamental structure for IM.

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