材料成型计算机模拟(纯手工打造)一、名词解释1计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论作为所作的简化近似是否成功。

12材料设计是指（主要包含三个方面的含义）：理论计算→预报→组分、结构和性能；理论设计→订做→新材料；按照生产要求→设计→制备和加工方法。

13数学模拟的定义：就是利用数学语言对某种事务系统的特征和数量关系建立起来的符号系统。

4数学建模是一种具有创新性的科学方法，它将实现问题简化，抽象为一个数学问题或数学模型，然后采用适当的数学方法进行求解，进而对现实问题进行定量分析和研究，最终达到解决实际问题的目的。

15数学模型的建立方法——理论分析法：应用自然科学中的定理和定律，对被研究系统的有关因素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。

6数学模型的建立方法——模拟方法：如果模型的结构及性质已经了解，但是数量描述及求解却相当麻烦。

如果有另一种系统，结构和性质与其相同，而且构造出的模型也是类似的，就可以把后一种模型看作是原来模型的模拟，对后一个模型去分析或实验，并求得其结果。

7数学模型的建立方法——类比分析法：如果有两个系统，的情况为差分方程的收敛性。

215初截荷法是将塑性变形部分视为初应力或初应变来处理，将塑性变形问题转化为弹性问题的求解方法。

416刚塑性有限元法不计弹性变形，采用屈服准则和方程，求解未知量为节点速度。

517凝固模拟技术：用计算机高速度大容量的计算能力，对浇注凝固过程中相关的各物理场进行数值求解，可以预见一定工艺方案下，浇注凝固过程中的各物理行为方式，从而可以推断是否会产生缺陷以及产生缺陷的定量特征。

618可视化处理：必须按照这些数据既定的数据结构和取值的规定性，通过计算机程序去求解、去识别，并将其组织、构造成相应的图形、图像、曲线乃至动画等等，使其直观可视，直接反应出工程相关的信息，直接揭示出工程相关的因果关系，为铸造工艺的优化提供准确的决策依据。

619数据阵列：作为数值求解结果的解数据，是一个庞大的数值阵列，这些琐碎而沉繁的数据本身并不能直接向人们揭示充型或凝固过程的物理内涵。

620前处理：在凝固模拟技术中，值域的离散化、方程的差分化通常被称为前处理。

21后处理：用计算机图形表示分析计算所得的数值结果，结果数据的可视化、动画化通常被称为后处理。

22导热——物体个部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动进行的热量传递。

23热流密度：单位时间内通过单位面积的热量称为热流密度。

24导热系数：单位温度梯度下物体内所产生的热流密度，它表示物体导热本领的大小。

625对流：指物体个部分之间发生相对位移，冷热物体相互参混所引起的热量传递方式。

626对流换热：物体流过另一物体表面时对流和导热联合起作用的传热过程。

627温度场：导热体在各个时刻内部各点的温度分布。

628等温线(面)：同一时刻物体中温度相同的点连接而成，对二维问题指等温线，对三维问题指等温面。

629离散化：把由无限个质点构成的连续体转化为有限个单元集合体的过程。

230温度场模拟：利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固过程，预测缩孔、缩松等缺陷。

331注射成型流动过程模拟的目的在注塑模具制造前，预测塑料熔体充模过程的流动性为，以便尽早发现设计中存在的弊病，修改模具设计图样而不是返修模具。

减少模具返修报废，提高塑件制品质量。

32计算机仿真：通过计算机软件系统观察系统动态模型在某段时间内的性能来解决问题的方法。

2二、填空题1材料科学：以材料的组成、结构、性能和加工等为研究对象的一门科学。

12材料、能源和信息称为当代文明的三大支柱。

13材料的分类：组成与结构:金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料等。

14材料的分类：性能和作用：结构材料和功能材料。

15数学建模的过程包括：建模准备、建模假设、构造模型、模型求解、模型分析、模型检验、模型应用。

16对实体的认识过程：描述性数学模型、解释性数学模型。

1 7建立立模型的数学方法：初等模型、图论模型、微分方程模型、随机模型。

18模型的应用领域：人口模型、环境模型、水资源模型、污染模型。

19模型的特征：静态模型和动态模型、离散模型和连续性模型。

110对模型的了解程度：白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。

1 11材料成型方法涉及到的物理、化学和力学现象。

112材料成型过程的基本规律可应用一组微分方程来描述：流动方程、热传导方程、平衡方程或运动方程、即场方程或控制方程。

113材料成型问题——场方程——定解条件——边值条件，初始条件——方程解析解。

114金属型模具温度场的分析内容：前处理——求解——后处理。

615流场与缺陷形成有紧密的相关性，通过流场的模拟可以预测可能产生缺陷的位置和程度，从而提高改进的方向。

16导热特点：1）物体之间不发生宏观相对是位移；2）依靠微观粒子（分子、原子、电子等）的无规则热运动。

3）是物质的固有本质。

617计算机仿真包括两方面的工作：1）建立仿真对象的（数学模型）；2）求解，并将结果表示出来。

18有限元分析的后处理程序的功能：1）对计算结果的加工处理；2）计算结果的（图形）表示。

219用于表示计算结果的图形表示形式：1）结构变形图；2）等值线图；3主应力迹线图；4）等色图。

220一维空间Fourier 定律表示成下式：q=x∂∂-t λ。

7 21当x 方向的温度分布呈线性时，温度梯度表达式：1212x T x T T x --=∂∂。

722虚拟现实技术重要特征：多感知性、（存在感）、交互性、自主性。

223初始条件：温度初始条件、（压力）初始条件、速度初始条件、组织初始条件。

3三、简答题1数值模拟方法的基本特点?1答：将微分方程的边值问题的求解域进行离散化，将原来求得在求解域内处处满足场方程，在边界上处处满足边界条件得解析解的要求降低为求得在给定的离散点（节点）上满足由场方程和边界条件所导出的一组代数方程的数值解。

因此使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

2有限元法的特点？1答：将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接的单元的集合体，在每个单元内用一个满足一定要求的差值函数描述基本未知量在其中的分布。

随着单元尺寸的缩小，近似德尔数值求解越来越逼近精确解。

有限元法适应任意复杂的和变动的边界。

3有限差分法的特点？1答：以差分代替微分，将求解对象，在时间与空间上进行离散对每个离散单元进行各种物理场分析（温度场、流动场、应力场），然后将所有单元的求解结果汇总，得到整个求解对象在不同时刻的行为变化，并对分析对象的可能变化趋势作出预测。

有限差分法有点：求解过程简单，速度快，前后置处理易于实现。

4数值模拟的基本原理是什么？1答：1）金属成形过程是工件的一个弹（粘）塑性变形过程，有时在这个过程中还伴有明显的温度和微观组织变化。

2）从物理的角度看，无论这个过程多么复杂，这个过程总可以通过一组微分方程以及相关的边界条件和初始条件表示出来。

这组微分方程以及边界条件和初始条件可以根据固体力学、热力学和材料科学的基础理论建立起来。

3）通常，这组微分方程的基本未知量是工件各点的位移、温度和一些用于面熟微观组织的物理量。

例如，对于普通的冲压过程，由于温度的影响和微观组织的变化可以忽略，因此基本的未知量只是工件各点的位移，而对于热锻过程，温度也应该作为基本的未知量。

如果我们可以得到这组微分方程的解，那么，我们可以根据相关学科的基础理论和基本规律，由所得到的基本未知量计算出其他物理量（例如应力、应变。

载荷等）随空间和时间的变化。

4）由于金属成型过程的复杂性，这组微分方程具有极强的物理的和几何的非线性，因此得到这组微分方程的理论解是非常困难的。

5）直到七十年代，随着计算机技术和数值计算方法特别是有限元方法的迅速发展，才使得有可能通过数值计算的方法求解这组微分方程，从而建立了金属成型工艺数值模拟技术。

用计算机语言编写的的求解这组微分方程并由基本未知量计算其他物理量全部计算过程的文件就是我们常说金属成形工艺数值模拟软件。

5做金属成形工艺数值模拟需要客户准备哪些数据？1答：客户需要提供数据包括：工艺参数，坯料、模具的形状尺寸数据和材料性能数据，压力机数据等。

对于冲压工艺：材料性能数据只包括板料在室温条件下的力学性能能数据例如：应力应变曲线、n值（应变硬化指数）的测定与r值（厚向异性系数），成形极限图等。

对于锻造工艺：如果客户需要了解模具的变形和应力数据，则还需要提供模具的力学性能数据。

如果是热锻，除了需要提供模具和坯料在锻造温度条件下的力学性能数据外，还需要提供与坯料与微观组织有关的数据。

6通过金属成形工艺数值模拟，可以得到什么结果？1答：1）金属成形工艺数值模拟可以预测出工件变形的详细过程，并定量地给出工程师们所关心的与变形有关的各种物理量在工件或模具上的空间分布以及随时间的变化。

2）通常这些物理量包括：工件与模具的几何形状、位移、速度、（弹性和塑性）应变、应变率、应力、载荷等。

对于热锻，还包括温度及微观组织（例如：再结晶体积分数和晶粒度）。

如果工件为疏松材料，还另外包括材料粒度。

3）根据上物理量的计算结果，我们可以判断出工件是否存在缺陷。

例如对于冲压工艺，您可以从工件外形判断出是否起皱，对比成形极限图可以看到共建哪些位置可能开裂。

回弹计算结果直接给出工件各处的相对回弹量。

4）对于锻造工艺，您可以从工件外形判断是否有折叠，工件是否已经充满模具型腔。

从温度分布可以判断工件温度是否太高，甚至出现过烧。

对比破裂准则可以看到工件哪些位置可能开裂。

根据晶粒度分布可以判断锻件是否出现混晶缺陷等。

5）如果发现成型后的工件出现某些缺陷，坑能是模具/坯料或者工艺的某些参数有问题，可以根据经验队工艺参数如此进行反复修改工艺反复模拟知道工件没有缺陷为止。

在计算机上进行了一次工艺优化。

这就是说通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的成形工艺。

7做金属成形工艺数值模拟对企业有什么好处？1答：1)通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的成形工艺。

由于这个工艺模拟的计算是根据固体力学、材料科学与数值计算的基础理论进行的，因此这种数值模拟过程原则上与进行工艺实验具有相同的效果。

2）但是由于工艺模拟是在计算机上进行的，它不需要加工实际的模具和坯料，也不需要压力机，从而使在工艺设计和优化上所花费的时间、成本大为降低。

可见这是一项能够给企业带来巨大经济效益的技术。

3）由于数值模拟技术可以使开发新产品的工艺试验次数大为减少，从而缩短了新产品的开发周期，降低了新产品的开发成本，提高了企业市场竞争力。