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熱加工工藝模擬及優(yōu)化設計技術(shù)

來源：時間：2006-10-6 8:30:37　　責任編輯：zhaoyanping

   一拜姿、技術(shù)概述
     熱加工工藝模擬及優(yōu)化設計技術(shù)是應用模擬仿真、試驗測試等手段，在擬實的環(huán)境下模擬材料加工工藝過程，顯示材料在加工過程中形狀、尺寸、內(nèi)部組織及缺陷的演變情況，預測其組織性能質(zhì)量胚砰，達到優(yōu)化工藝設計目的的一門嶄新技術(shù)。它的研究范圍一般可分為：
    1．熱加工過程的數(shù)值模擬纠沉。通過建立能準確描述某一熱加工工藝過程的數(shù)理模型及對數(shù)理方程的簡化求解敬魏，動態(tài)顯示該過程并預測其結(jié)果。分為宏觀（mm-m級）岔雾、微觀（µm-mm級）底盅、原子（nm-µm級）三個不同的模擬尺度。
    2．熱加工過程的物理模擬及專家系統(tǒng)黑乞。通過得到準確的臨界判據(jù)揉贡，檢驗、校核數(shù)值模擬的結(jié)果拟祖；用于影響因素十分復雜的工藝過程拣挪，作為數(shù)值模擬的必要補充。
    3．熱加工過程的基礎理論及缺陷形成原理俱诸。它是準確地建立過程數(shù)理模型菠劝，得到缺陷科學判據(jù)的研究基礎。
        材料熱加工工藝模擬研究于1962年開始于鑄造過程睁搭，進入70年代后赶诊，從鑄造逐步擴展到鍛壓、焊接园骆、熱處理舔痪，在全世界形成了材料熱加工工藝模擬的研究熱潮。
    經(jīng)多年研究開發(fā)锌唾，針對常規(guī)鑄造辙喂、沖壓、熱鍛已經(jīng)形成一批熱加工工藝模擬商業(yè)軟件鸠珠；并已在鑄造、鍛壓生產(chǎn)中得到一定應用秋麸，在注塑渐排、焊接馆柬、熱處理中的應用剛剛起步；同時數(shù)值模擬已逐步成為新工藝研究開發(fā)的重要手段和方法烤酌。
       近年來吻霎，熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展惫康，其技術(shù)發(fā)展趨勢是：
    （1）宏觀－中觀－微觀
    已普遍由建立在溫度場睹梢、速度場、變形場基礎上的旨在預測形狀赢瘦、尺寸九窿，輪廓的宏觀尺度模擬（mm-m級）進入到以預測組織、結(jié)構(gòu)汇泰、性能為目的的中觀尺度模擬（毫米量級）及微觀尺度模擬（微米量級）階段坦膘。
    （2）單－分散－耦合集成
    模擬功能已由單一的物理場模擬普遍進入到多種物理場相互耦合集成的階段，以真實模擬復雜的熱加工過程柄立。
    （3）共性承跟、通用－專用、特性
    由于普通鑄造绊寻、沖壓花墩、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業(yè)軟件的出現(xiàn)，研究工作的重點和前沿已由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題澄步。主要方向一是解決特種熱加工工藝（如壓鑄冰蘑、金屬型鑄造、楔橫軋等）模擬及工藝優(yōu)化問題驮俗；二是解決加工件的缺陷（混晶懂缕、回彈、熱裂王凑、冷裂搪柑、變形等）消除問題。
    （4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎性研究
    主要有：熱加工基礎理論索烹、缺陷形成機理及判據(jù)工碾、新的數(shù)理模型、新的算法百姓、前后處理等基礎性研究及物理模擬與精確測試技術(shù)等渊额。
    （5）重視集成技術(shù)，使工藝模擬成為先進制造系統(tǒng)的重要組成部分垒拢。
    包括：在并行環(huán)境下驶滚，與產(chǎn)品、模具CAD／CAE／CAM系統(tǒng)集成，與零件加工制造系統(tǒng)集成换秧，與零件的安全可靠性能實現(xiàn)集成悦级。
    3．我國的優(yōu)勢及不足
    我國于70年代末期開始研究鑄造工藝模擬，以后逐步擴展至鍛造辫航、沖壓斑渠、焊接、熱處理及注塑等各專業(yè)漓惕，吸引了一大批優(yōu)秀的科技人員投身該領域研究榕诬。在多年研究的基礎上，國內(nèi)多家研究院所及高校聯(lián)合投標每贮，于1997年“金屬材料熱成形過程的動態(tài)模擬及組織性能質(zhì)量的優(yōu)化控制”入選國家攀登B項目菜犀，為攀登國際前沿提供了很好的條件。我國在鑄造微觀組織模擬门俏，大鍛件混晶預測丸匀，焊接工藝性的物理模擬及精確測試等方面的研究居世界先進水平。但在模擬軟件的商品化開發(fā)危融，研究工作的硬畏铆、軟件環(huán)境等方面有較大的差距。
        針對金屬材料鑄造吉殃、鍛壓辞居、焊接、熱處理及非金屬材料注塑等熱加工過程蛋勺，以材料熱加工理論分析為基礎瓦灶，通過數(shù)值模擬和物理模擬研究，開發(fā)一系列商品化軟件及實驗技術(shù)抱完，能對熱加工過程的組織贼陶、性能、質(zhì)量進行預測和優(yōu)化控制巧娱，實現(xiàn)工藝優(yōu)化設計碉怔，并在材料熱加工基礎理論及缺陷形成機理的某些方面有所發(fā)展和創(chuàng)新，并行工程環(huán)境下的虛擬制造成形的基礎性研究取得進展禁添。通過本項研究撮胧，使該研究領域全面趕上當代國際水平，在某些方面達到國際領先水平与笛。
    主要研究內(nèi)容
    （1）金屬材料熱加工過程的基礎理論及缺陷形成原理的研究
    研究材料熱加工過程中的液態(tài)流動充型围娃、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動變形得惩、相變碎痘、再結(jié)晶與重結(jié)晶等一系列復雜的物理、化學、冶金變化原理及數(shù)理模型阅牛；揭示充型過程的卷氣朱鹤、夾渣、冷隔秫痪，凝固結(jié)晶過程的縮松、熱裂捅没、偏析叭舰，固態(tài)流動變形過程的孔洞、裂紋舀黄、混晶忱当、皺折、回彈治专，焊接過程的凝固裂紋卖陵、氫致裂紋，固態(tài)相變過程的畸變张峰、裂紋等缺陷的形成原理泪蔫，得出臨界判據(jù)。
    （2）金屬材料熱加工的宏觀數(shù)值模擬喘批、工藝優(yōu)化及商品化軟件技術(shù)
    完成金屬材料主要熱加工方法（鑄造撩荣、鍛造、沖壓饶深、焊接餐曹、熱處理）的宏觀模擬及工藝優(yōu)化的研究開發(fā)，解決大鑄件敌厘、大鍛件台猴、大型焊接結(jié)構(gòu)件及一些特種毛坯件（壓鑄、電渣熔鑄俱两、金屬型鑄造饱狂、楔橫軋等）的工藝優(yōu)化問題，提出消除其宏觀缺陷的方法忘哼，并推出具有我國自主版權(quán)的熱加工工藝模擬商品化軟件疏悯。
    （3）金屬材料熱加工的微觀數(shù)值模擬及組織性能質(zhì)量的觀測
    通過研究微觀組織模擬的理論及模型算法，塑性成形晶粒度演化锨穷，焊接過程氫擴散與集聚歉冷，高溫區(qū)熔池尾部應力應變，加熱冷卻過程應力一組織轉(zhuǎn)變的定量關系等微觀數(shù)值模擬技術(shù)岗憨，完成微米量級（µ   m）的熱加工微觀數(shù)值模擬的研究工作乳后，解決熱加工常見的微觀缺陷（偏析、氣孔、混晶确奄、氫致裂紋等）問題麸媒，并初步推出部分商品化軟件。納米量級的模擬工作開始起步闪铸。
    （4）金屬材料熱加工工藝性的物理模擬和精確評價技術(shù)
    配合數(shù)值模擬胚览，研究并掌握凝固結(jié)晶過程直觀的觀測方法，材料焊接熔池尾部高溫應力應變及凝固裂紋形成阻力測試技術(shù)需五，焊接過程局部區(qū)域氫濃度的測試方法鹉动，相變塑性及應力誘發(fā)相變的實驗驗證方法等相關的物理模擬及工藝性的精確測試、評價技術(shù)宏邮，能為宏觀及微觀數(shù)值模擬提供精確泽示、適用的基礎數(shù)據(jù)，基本判據(jù)和合宜的校核蜜氨、檢驗方法械筛。
    （5）并行環(huán)境下熱加工工藝模擬與其它技術(shù)環(huán)節(jié)集成技術(shù)
    完成并行環(huán)境下，鑄造飒炎、鍛壓兩個專業(yè)的工藝模擬埋哟、優(yōu)化與零件CAD／CAM的集成，推出商品化的CAD／CAE／CAM一體化系統(tǒng)軟件厌丑；完成沖壓工藝模擬與沖壓生產(chǎn)系統(tǒng)的集成研究并用于生產(chǎn)定欧；工藝模擬與零件性能及安全可靠性的集成研究開始啟動，并獲得初步結(jié)果怒竿。

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