计算机技术手段在材料中的应用,计算机在材料加工中的应用.docx

计算机在材料加工中的应用

计算机在材料加工中的应用

摘　要：本文介绍了计算机模拟在材料加工过程中的发展趋势，它将为企业参与激烈的市场竞争并取得成功提供重要手段，计算机模拟技术必将在未来材料加工技术中起到举足轻重的作用。

关键词：材料加工；计算机模拟；虚拟制造；

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 materials 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 manufacture

1 前言

随着时代的发展，世界制造业面临市场开拓和技术发展两大挑战。高质量、低成本、短周期的先进制造技术是制造业的发展方向，它的科学性、先进性、正确性和敏捷性对于国民经济的发展非常重要。虚拟制造技术的出现是先进制造技术的重要标志之一[1-2]。虚拟制造与实际制造有本质区别，它是在计算机防真与虚拟现实技术的支持下，在计算机上进行产品设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验等，是在计算机上实现将原材料变成产品的虚拟现实过程， 使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地，进入全方位预测，力争一次成功的新阶段，从而缩短产品周期，减少费用，提高质量。材料加工是先进制造技术中重要的组成，它的应用涉及航空航天、汽车、石化、军事等事关国民经济的重要产业。在我国加入世贸组织之后，我国的制造业面临更多更大的机遇与挑战。材料加工与以切削为主体的冷加工相比，其特点是: 从质量评价标准上，在保证零件尺寸形状精度和表面质量的同时，更注重保证零件和结构内部组织性能和完整性; 在产品和零件设计上， 更强调针对复杂型腔和曲面的能力; 在工艺过程中， 除了运动和外力作用等因素，还涉及温度场、流场、应力应变场及内部组织的变化; 生产环境恶劣，控制因素多样。以上特点反映了材料加工过程对综合自动化和信息集成的需求和复杂性，因此，充分了解材料加工计算机模拟的重要性及其发展趋势，对于推动我国制造业的科技进步，缩短产品的开发和加工周期，快速响应市场，提高竞争能力，真正体现高速、高效、高质的制造优势，具有重要的意义。

2计算机模拟技术的发展

计算机模拟是制造业发展的产物。以有限元方法为基础的计算机模拟技术是20 世纪技术发展的巨大成果，在工程物理科学的各个分支领域都起着十分重要的作用。新材料、新工艺、新产品、高要求、高精度、低成本的现代制造模式要求深入了解和掌握材料成形机理、过程变化，在计算机上实现过程显现，开拓科学的工艺和设计方法，实现最优设计与制造。因此，计算机数值模拟技术以及以此为基础的优化设计方法研究成为当今和今后国内研究的热点。

2. 1宏观模拟向微观模拟深入

我们知道在工程中使用的金属材料大多数为多晶材料，材料的微观组织形态直接影响零件的机械性能和物理性能，所以选择合理的加工工艺参数十分重要。材料加工过程微观组织的计算机模拟由于具有描述分子级尺寸水平的能力，这将对控制材料晶粒大小及分布，进一步了解位错的产生和运动、晶界结构、防止内部空洞和微裂纹的萌生和扩展等问题提供了新的方法[3-4] ，将大大推动材料微观结构研究的进展，并对确定优化材料加工的工步数和顺序、热处理方案十分有益。此外，在金属成形过程中，适用的优化准则对材料最终的力学性能和微观组织性能具有重要的影响，通过优化坯料形状或预成形模具形状、模具速度使最终锻件具有良好的尺寸精度、少无飞边和所期望的微观组织。为此，一方面要要研究合适的优化设计变量的选择，包括影响终锻件力学组织性能的状态变量和过程变量，即形状设计变量和速度设计变量。另一方面要研究和建立微观组织优化设计的目标函数，该目标函数考虑晶粒尺寸大小及分布，再结晶晶粒尺寸、再结晶程度和无再结晶部分的晶粒尺寸及其体积分数。

2. 2高精度、高效三维有限元模拟

近二十年间，以有限元法为核心的数值模拟技术在金属塑性成形领域中应用， 所采用的理论体系从小变形弹塑性有限元理论、刚-(粘)塑性有限元理论， 到现在的大变形弹-(粘)塑性有限元理论， 分析技术发展迅速