北京交通大学：《材料成型技术基础》课程教学课件（PPT讲稿）计算机在成形技术中的应用

主要内容计算机数值模拟技术及其应用铸造成型过程模拟及其应用锻造成型过程模拟及其应用焊接成型过程模拟及其应用材料加工成形的自动化控制专家系统北豪交通大--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 主要内容 计算机数值模拟技术及其应用 材料加工成形的自动化控制 铸造成型过程模拟及其应用 锻造成型过程模拟及其应用 焊接成型过程模拟及其应用 专家系统

前言。产品制造业的激烈竞争，人们对产品的内在和外在质量提出了更高的要求。美国在“新一代制造计划（NextGenerationManufacturing）”中指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好。2001年，美国又提出了“集成制造技术建议”和“可靠制造的建模与仿真”新构思，对产品设计制造等全生命周期过程进行模拟仿真。，未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备、模拟与仿真3项关键技术。·计算机集成制造系统（CIMS）就是一个应运而生的新领域，包括制造过程CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT等计算机辅助技术北京交通大学--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 ⚫ 产品制造业的激烈竞争，人们对产品的内在和外在质量提出了更高的 要求。 ⚫ 美国在“新一代制造计划（Next Generation Manufacturing）”中 指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、生 产柔性、环境友好。 ⚫ 2001年，美国又提出了“集成制造技术建议”和“可靠制造的建模与 仿真”新构思，对产品设计制造等全生命周期过程进行模拟仿真。 ⚫ 未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发 系统、新一代制造工艺及装备、模拟与仿真3项关键技术。 ⚫ 计算机集成制造系统（CIMS）就是一个应运而生的新领域，包括制造 过程CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT等计算机辅助技术。 前言

前言以上关键技术能够实现设计加工的自动化、提高加工精度和加工质量缩短产品研制周期等。包括成型过程的模拟仿真、快速原型技术、数控加工技术、专家系统。在航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用，并取得了丰硕成果。实例：1.波音公司采用计算机辅助产品开发系统将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50%。2.日本丰由汽车公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65%。3.美国底特律柴油机公司研发1台V6型柴油机的研发周期只用了7.5个月。4.美国汽车工业的研发周期缩短为15～25个月，而20世纪90年代汽车的研发周期为5年。北亲交通大学材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 ⚫ 以上关键技术能够实现设计加工的自动化、提高加工精度和加工质量 缩短产品研制周期等。包括成型过程的模拟仿真、快速原型技术、数 控加工技术、专家系统。 ⚫ 在航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用，并取得了丰硕成果。 前言 ◆ 实例： 1. 波音公司采用计算机辅助产品开发系统将新产品研制周期从8年缩短到5年， 工程返工量减少了50%。 2. 日本丰田汽车公司在研制2002年嘉美 新车型时缩短了研发周期10个月，减少 了试验样车数量65％。 3. 美国底特律柴油机公司研发1台V6型柴油机的研发周期只用了7.5个月。 4. 美国汽车工业的研发周期缩短为15～25个月，而20世纪90年代汽车的研发周 期为5年

前言计算机模拟与辅助制造的意义1降低生产成本、提高设计效率2缩短研制周期3节约人力和物力资源4降低对经验的依赖程度5实现材料成形工艺设计方案优化北京交通大学--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 ◼ 计算机模拟与辅助制造的意义 1 降低生产成本、提高设计效率 2 缩短研制周期 3 节约人力和物力资源 4 降低对经验的依赖程度 5 实现材料成形工艺设计方案优化 前言

计算机模拟技术及其应用概念计算机模拟技术概念：对真实事物或者过程的虚拟。（仿真是一种重现系统外在表现的特殊的模拟。）理论基础理论基础：有限元法、有限差分法、控制体积法，数值方法与解析方法混合的算法等。具体实施步骤：“化整为零”→“化零为整”，离散化→单元的刚度方程一→整体刚度方程一→整体解。北京交通大学-材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 计算机模拟技术及其应用 计算机模拟技术概念：对真实事物或者过程的虚拟。（仿真是一种重 现系统外在表现的特殊的模拟。） ◆ 概念 ◆ 理论基础 理论基础：有限元法、有限差分法、控制体积法，数值方法与解析方法 混合的算法等。 具体实施步骤：“化整为零” →“化零为整”，离散化→单元的刚度 方程→整体刚度方程→整体解

计算机模拟技术及其应用材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察为了获得优质构件，就必须制定合理的成形工艺，使工件的缺陷减少到最低限度或将缺陷转移到危害最小的区域。传统的成形工艺建立在经验及试错基础上，试验费用高、周期长，特别对于大件制备工艺的研制，一旦失败，就会造成很严重的经济损失。材料加工制造过程的模拟和仿真可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更直观、更细致，可以显示高温金属的流动和预测缺陷，指导工艺改进。材料成形工艺模拟仿真是使材料成形工艺从经验试错走向科学指导的重要手段，是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点。北京交通大学-材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 计算机模拟技术及其应用 ⚫ 材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察。 ⚫ 为了获得优质构件，就必须制定合理的成形工艺，使工件的缺陷减少到最低 限度或将缺陷转移到危害最小的区域。 ⚫ 传统的成形工艺建立在经验及试错基础上，试验费用高、周期长，特别对于 大件制备工艺的研制，一旦失败，就会造成很严重的经济损失。 ⚫ 材料加工制造过程的模拟和仿真可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更 直观、更细致，可以显示高温金属的流动和预测缺陷，指导工艺改进。 ⚫ 材料成形工艺模拟仿真是使材料成形工艺从经验试错走向科学指导的重要手 段，是材料科学与制造科学的前沿领域和研究热点

计算机模拟技术及其应用经过30多年的不断发展，铸造、焊接及锻造宏观模拟在工程应用中已是一项十分成熟的技术。。商品化软件：铸造PROCAST、焊接SYSWELD、锻造QFORM等，在生产中取得显著的经济及社会效益。实例：长江三峡水轮机的第1个叶轮是从加拿大进口的，价值为960万美元，而在我国重型制造企业的共同努力下，长江三峡水轮机叶轮的重62t的不锈钢叶片，已由德阳中国二重集团铸造厂于2001年首次试制成功，其铸造工艺方案采用了先进的计算机模拟仿真技术，经反复模拟得到了最优化的铸造工艺方案。鉴定委员会专家组认为：“该叶片技术资料齐全，采用了计算机优化等先进技术，符合有关标准要求，达到国际同行业先进水平。”北京交通大学--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 计算机模拟技术及其应用 ⚫ 经过30多年的不断发展，铸造、焊接及锻造宏观模拟在工程应用中已 是一项十分成熟的技术。 ⚫ 商品化软件：铸造PROCAST、焊接SYSWELD、锻造QFORM 等，在生产中 取得显著的经济及社会效益。 实例：长江三峡水轮机的第1个叶轮是从加拿大进口的，价值为960万 美元，而在我国重型制造企业的共同努力下，长江三峡水轮机叶轮的 重62t的不锈钢叶片，已由德阳中国二重集团铸造厂于2001年首次试制 成功，其铸造工艺方案采用了先进的计算机模拟仿真技术，经反复模 拟得到了最优化的铸造工艺方案。鉴定委员会专家组认为：“该叶片 技术资料齐全，采用了计算机优化等先进技术，符合有关标准要求， 达到国际同行业先进水平

计算机模拟技术及其应用铸造成形中的计算机技术凝固成形领域的应用重点是：零件设计、模样制造与铸型设计最小铸造尺寸CAD产品设计图铸造工艺CAD铸件模型的转换专家系统CAE铸造过程模拟结果分析1CAM制造技术铸型及型板快速成型铸件的浇注铸件的检测X-ray实时成像等北京交通大学--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 计算机模拟技术及其应用 ◆ 铸造成形中的计算机技术 CAD产品设计图 CAD铸件模型的转换 CAM制造技术 铸型及型板快速成型 凝固成形领域的应用重点是：零件设计、模样制造与铸型设计。 CAE铸造过程模拟 结果分析 铸件的浇注 铸件的检测 X-ray实时成像等 最小铸造尺寸 铸造工艺 专家系统

1计算机模拟技术及其应用模拟技术在铸造成形中的发展铸造成形模拟技术始于20世纪60年代。第一阶段：二维和三维温度场模拟。第二阶段：铸件充型过程的模拟仿真。第三阶段：铸造应力和铸件凝固微观组织形态模拟阶段，模拟技术从宏观模拟向微观模拟发展除重力铸造外，模拟仿真技术已能用在压力铸造，熔模铸造等精确成形加工工艺中。计算机模拟技术的发展方向一一工艺链模拟铸造模拟软件北京交通大学--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 1 1 计算机模拟技术及其应用 ◆ 模拟技术在铸造成形中的发展 铸造成形模拟技术始于20世纪60年代。 第一阶段：二维和三维温度场模拟。 第二阶段：铸件充型过程的模拟仿真。 第三阶段：铸造应力和铸件凝固微观组织形态模拟阶段，模拟技术 从宏观模拟向微观模拟发展。 除重力铸造外，模拟仿真技术已能用在压力铸造、熔模铸造等精确 成形加工工艺中。 ◆ 计算机模拟技术的发展方向-工艺链模拟 ◆ 铸造模拟软件

计算机模拟技术及其应用表！世界上主要瘦态成形模拟款件及应用（3)Tab.1The main simulation software and Its application of liquid formation all over the world款件名称算法开发商分析内容应用范围FILOW-3DFVM/FDM美国/流体科学公司流动与传热多数铸造工艺MAGMAsoft德国/亚环大学FDM/FEM流动与传热、应力、微观组织砂型待件、压铸件、金属型待件PROCAST美国/UES公司伊赛艾特公司FEM流动与传热、应力、电磁待造连埃、消失模、单品和流动待造FVMSIMULOR法国/Pechiney铝流动与传热砂型件、精铸件、解压修件、金属型传件SOLSTAR英国/FOSECO公司FVM.模数法传热分折菜紫静造工艺瑞典NovacastAB公司和NOVACASTFDM.模数法传热分析铸造工艺辅助设计、铸件固过程Udmurt大学CALCOMP瑞士FEM流动与传热多数铸造工艺FDMRAPID/CAST关国/并行技术公司流动与传热、微观组织PHOENICSFVM英国/帝国理工学院传流流动与传热挤压待造、连续待造FIDAP7.0美国FEM流动与传热、传质多数待造工艺SOLIDA日本/小松制作所DFDM流动与传热多数饰造工艺AFSolidFDM美国/情造协会流动与传热多数诗造工艺LS-DYNA3DFEM英国/计算与工婴应用协会流动与传热、应力应变多数侍造工艺CAPS-3DFVM英国/Argonne试验室流动与传热多数诗造工艺北京交通大--材料成形技术基础

-材 料 成 形 技 术 基 础 计算机模拟技术及其应用 伊赛艾特公司