材料成型仿真技术方向介绍.ppt

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1、材料成型仿真技术介绍,材料科学与工程学院 2010.11.12,主要内容,关于材料成型软件工程理论在材料成型中的应用本方向主要学习的内容和毕业后走向,1 关于材料成型,我们这里主要是指金属材料在型，也就是指将原材以一定的状态（固态、液态）在特定模具中冷却成型或变形，得到我们所需要的目标形状，材料在成型前后没有质量的变化，故又常称“质量不变工艺”。主要有液态成型（铸造）、固态成型（锻压）、焊接成型等。本学科是国民经济发表的支柱产业。,1.1 液态成型（铸造）,铸造是指将把金属加热熔化后浇入铸型，待其冷却凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。,是世界上较早掌握铸造技术的文明古国，我国铸造技术已有

2、6000年的悠久历史。世界上公认中国是最早应用铸铁的国家之一。2500多年前（公元前513年）就铸造出了270kg的铸铁刑鼎。中国约在公元前1700至前1000年之间就已进入了青铜铸件的全盛时期。宋朝我国已使用铸造铁炮和铸造地雷。,名称：司母戊大方鼎年代：商朝 质量：875kg,名称：曾候乙尊盘 年代：春秋战国,在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很高，内燃机80%，拖拉机65%-80%，液压件、泵类机械50%-60%。冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。作为我国支柱产业正在大力发

3、展的汽车工业，其心脏部分发动机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成而成。,康明斯曲轴毛坯,康明斯曲轴成品,重型汽车康明斯排气管,465Q微型汽车发动机电喷排气歧管,变速器壳体,中间箱体,1.2 固态成型（锻压）,通过模具和设备对材料施加力场，或再辅助以温度场 使材料产生塑性变形实现体积转移 获得形状、尺寸和性能满足要求的制件方法,塑性成形技术制造业的支撑技术,中国制造业已成为国民经济的重要组成部分工业增加值占GDP的35.30%工业增加值占全部工业的78.68%；上交税金约占全部工业的90%；从业人员占全部工业的90.7%；出口占全国外贸出口的91

4、.2%；全部外商实际直接投资额的70%,薄壁弯管在先进发动机中应用广泛,F119发动机（F/A-22用）,军事需求,长征系列运载火箭动力系统接头,直径161mm、壁厚1.5mm,瑞典AP&T公司,后机身整体隔框(投影面积5.16m2),镁合金等温锻件,传统多点成形原理,国家奥林匹克体育中心（鸟巢）,长度33m,宽度2.8m,壁厚328mm双曲率外形，容差01mm材料：7075T624小时一件,A380飞机铝合金机翼整体成形,2 软件工程理论在材料成型中的应用,一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测

5、或设计材料结构与性能。前者使材料研究不是停留在实验结果和定性的讨论上，而是使特定材料体系的实验结果上升为一般的、定量的理论，后者则使材料的研究与开发更具方向性、前瞻性，有助于原始性创新，可以大大提高研究效率。,随着计算材料学的不断进步与成熟，材料的计算机模拟与设计已不仅仅是材料物理以及材料计算理论学家的热门研究课题，更将成为一般材料研究人员的一个重要研究工具。由于模型与算法的成熟，通用软件的出现，使得材料计算的广泛应用成为现实。因此，计算材料学基础知识的掌握已成为现代材料工作者必备的技能之一。,1.1 软件工程理论在液态成型中的应用,十二缸发动机箱体工艺图,利用成型过程仿真软件对某厂一重580

6、公斤铸钢阀体件如下图所示，进行了铸造工艺方案的制定及浇注系统的设计流程。,铸件体积收缩图:(a)轴测图；(b)主视图,从凝固数值模拟可以看出体积收缩主要分布在铸件的四个轮上（如上图所示），因此根据该铸件的特点，本设计拟采用腰圆明冒口来实行补缩。体铸件收缩率选取7%，对于收缩体积较大的两个部位来说，结合标准化冒口数据库，确定选用冒口直径为120mm，宽为180mm，高为150mm的标准腰圆冒口；对于收缩体积较小的两个部位来说，选用冒口直径为80mm，宽为120mm，高为100mm的标准腰圆冒口。,图6：铸件工艺图,把设计好的浇注系统和冒口组合放置到铸件上，最终得到得到铸件的工艺图，如图6所示。,

7、将加入的工艺的铸件三维图导入CASTSOFT_CAE中进行模拟，模拟结果显示，缺陷全部留在冒口中，设计结果合理。,材料：CF-8M，铸件模拟工艺和实际生产工艺图,Unigraphics(UG)UG是UnigraphicsSolutions公司的拳头产品。该公司首次突破传统CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在UG中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用。UG最早应用于美国麦道飞机公司。它是从二维绘图、数控加工编程、曲面造型等功能发展起来的软件。90年代初，美国通用汽车公司选中UG作

8、为全公司的CAD/CAE/CAM/CIM主导系统，这进一步推动了UG的发展。1997年10月UnigraphicsSolutions公司与Intergraph公司签约，合并了后者的机械CAD产品，将微机版的SOLIDEDGE软件统一到Parasolid平台上。由此形成了一个从低端到高端，兼有Unix工作站版和WindowsNT微机版的较完善的企业级CAD/CAE/CAM/PDM集成系统。,灯罩,手机外壳,暖壶压嘴,球槽基座,SOLIDEDGE SOLIDEDGE是真正Windows软件。它不是将工作站软件生硬地搬到Windows平台上，而是充分利用Windows基于组件对象模型(COM)的先进

9、技术重写代码。SOLIDEDGE与MicrosoftOffice兼容，与Windows的OLE技术兼容，这使得设计师们在使用CAD系统时，能够进行Windows下字处理、电子报表、数据库操作等。SOLIDEDGE具有友好的用户界面，它采用一种称为SmartRibbon的界面技术，用户只要按下一个命令按钮，既可以在SmartRibbon上看到该命令的具体的内容和详细的步骤，同时在状态条上提示用户下一步该做什么。SOLIDEDGE是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计CAD系统，它是为设计人员专门开发的，易于理解和操作的实体造型系统。,1.2 软件工程理论在固态成型中的应用,伴随传统的塑性加工技

10、术和现代计算机技术全方位的密切结合,传统的经验设计方法已逐渐被模拟式设计所代替。作为一种有效的数值计算方法目前有限元法已经广泛地应用到金属塑性成形加工过程的数值模拟之中。采用三维有限元数值模拟可得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变温度分布等规律,也可以进行模具受力分析,并能预测出可能的缺陷及失效形式。,四、应用实例,使用DEFORM-3D软件,采用三维刚塑性有限元模拟技术,研究了齿轮轴的楔横轧制成形机理。几何模型(如图2所示)在UG中建造,然后再导入DEFORM-3D中。,由于轧辊的弹性变形可忽略不计,故两轧辊视为刚体;工件采用各向同性材料AISI1045,网格划分后得到14235个节点、

11、3154个四面体单元,工件的有限元模型见图3。据实际生产中辊式楔横轧的工作状况,对该模型进行了X、Y、Z方向上的位移约束,及X、Y方向上的旋转约束,这样轧辊只有Z方向上的旋转。其中,工件和轧辊之间的接触采用的是剪切摩擦模型。,工件成形过程的模拟结果见图4,由该图可知,该过程包括四个成形阶段:楔入段(图4a),楔入平整段(图4b),展宽成形段(图4ci),精整段(图4j)。,工件横截面方向上的最大主应力分布见图5,由该图可知,工件心部的拉应力是内部裂缝产生和扩展的主要因素。,为了估算轧制过程中的转矩,又得到了转矩随时间变化的图象,见图6,由该图可知:在轧制开始时即楔入段,转矩急剧增加;到楔入平整

12、段和展宽成形段时,转矩保持相对稳定;在成形结束时即精整段,转矩急剧下降至零。,可见,采用三维有限元模拟技术,能得到轧件的应力应变分布、轧件表面变形形状和模具的受力情况及材料流动状况等重要信息,有助于认识轧件内部缺陷的产生机理,助于深入探讨楔轧工艺的成形机理等。,不同形状的大型铝型材,大型挤压过程,100 MN油压双动铝挤压生产线,基于模拟仿真的大型铝型材等温挤压过程优化设计与精确控制,3 本方向主要学习的内容和毕业后走向,随着计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，计算机在材料成型工艺及过程仿真和优化中的应用越来越广泛，并且具有巨大的发展潜力。具备运用软件工程理论进行材料成分与成型工艺的设

13、计和仿真优化的人才，不仅得到了企业和科研院所的青睐，并且具有良好的发展前景。本专业（方向）是以软件工程为基础，培养系统地掌握软件分析、软件构造、软件测试与维护、软件二次开发等方面基本技术及方法，并且掌握材料成型原理、工艺及相关模拟软件使用等基本知识，在材料成型领域能够运用计算机和软件工程理论进行材料成型工艺设计、模拟、优化，成型过程模拟、性能预测和相关软件二次开发的的复合型人才。,大计算机科学导论、C语言程序设计、计算机组成原理、数据结构与算法、面向对象程序设计、软件工程基础、数据库原理、人机交互的软件工程方法等软件工程相关课程，以具备对软件系统、计算机系统、信息系统及计算机软件相关系统的认识

14、能力；材料科学基础、金属学及热处理、材料成型原理、材料成型工艺、材料成型软件工程、材料成型过程数值模拟、模具设计及CAD/CAM等材料科学与工程的基础理论知识、材料成型工艺及设计的专业知识，以具备运用计算机在材料成型过程中的应用等领域内进行科学研究、技术开发、软件二次开发、设计制造、生产组织管理的基本能力。,3.1 主要学习的内容,包括材料成型实验技术、C语言程序设计、计算机组成原理、数据结构与算法、面向对象程序设计、金属学及热处理实验等课内实验，以及数据结构与算法课程设计、数据库课程设计材料成型工艺、材料成型数值模拟等课程设计。另外也包括军训、认识实习、生产实习、社会实践、毕业设计（论文）等

15、。通过这些实践训练与理论知识学习的结合，最终具备能够全面通晓材料成型过程仿真和模拟的相关软件，具备材料成型过程仿真程序设计及二次开发、成型工艺模拟和优化能力。,3.2 实践训练,本专业（方向）的同学毕业后可以根据自身的学习和特长进行就业或深造。如果选择就业，则可以在企业的技术中心，针对产品进行金属液态、固态和焊接成型工艺的设计和模拟优化，可也对相关的模拟软件进行二次开发。如果选择考研，那么也有两种选择，一是考取软件工程的研究生，侧重于进行材料成型相关软件开发和设计的研究；二是考取材料加工工程的研究生，侧重于从微观、介观到宏观材料相关性质的理论预测方法和利用计算机辅助设计材料成分与工艺等方面的深入研究。,3.3 毕业后的走向,谢谢大家欢迎选报材料成型仿真技术方向,