材料加工过程的数值模拟

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1、材料加工过程的数值模拟第二章：温度场数值模拟魏艳红教学目的掌握基本的传热知识了解热加工过程模拟的研究现状和发展趋势了解传热问题的数值计算方法掌握实际热加工过程温度场数值模拟的基本步骤先修课程传热学高等数学线性代数数值分析热加工基本理论材料基础知识参考书目铸件凝固过程数值模拟，陈海清等，重庆大学出版社，1991（TG21-C4-2）焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社，1990（TG402-N74）计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版社，1993（TG248-C73）计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版社，1988（TK124-43-G91

2、）焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社，19972-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义材料热加工铸造：液态流动充型、凝固结晶等；锻压：固态流动变形、相变、再结晶等；焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经历不同的热处理过程；热处理：相变、再结晶等；特点：复杂的物理、化学、冶金变化热加工过程目的获得一定的形状、尺寸、成分和组织成为零件、毛坯、结构2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义热加工过程的结果成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态热加工工艺设计根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺，指导材料

3、的热加工过程热加工工艺设计存在的问题复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间接测试也十分困难建立在“经验”、“技艺”基础上2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义解决方法热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计热加工过程模拟的意义认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结果（组织和性能）与制造过程结合，实现快速设计和制造2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展历程60年代（起源于铸造）丹

4、麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传热。美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟70年代（扩展）更多的国家加入扩展到锻压、焊接和热处理80年代以后（迅速发展）1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟国际会议1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会目前（成为研究热点）国家攀登计划973基础研究计划2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展趋势宏观中观微观宏观：形状、尺寸、轮廓中观：组织和性能微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析出单一、分散耦合集成流场温度场温度场应力/应变场温度场

5、组织场应力/应变场组织场2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展趋势重视提高数值模拟的精度和速度重视精确的基础数据获得与积累与生产技术其他技术环节集成，成为先进制造技术的重要组成与产品设计系统集成与零件加工制造系统集成2-1热加工过程模拟的研究现状部分商业软件铸造PROCAST,SIMULOR锻压DEFORM,AUTOFORGE,SUPERFORGE通用MARC,ABAQUS,ADINA,ANSYS2-2温度场及传热的基本概念温度场定义在x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同一时刻的温度分布，叫做温度场。T=f(x,y,z,t)稳

6、定温度场T=f(x,y,z)不稳定温度场T=f(x,y,z,t)等温面等温线热量传递的三种基本形式/热传导定义：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。表达式：傅立叶定律：矢量表示：热量传递的三种基本形式/热对流定义运动的流体质点发生相对位移而引起的热转移现象遵循的定律牛顿定律公式：热量传递的三种基本形式/热辐射定义物质受热后，内部原子震动而出现的一种电磁波能量传递。遵循定律斯蒂芬-波尔兹曼定律公式：T：热力学温度（k）C：辐射系数，C=C0,C0=5.67W/m2.K4两物体之间热辐射交换：Q

7、R=C0(T14-T24)导热的数学描述建立基础：傅立叶定律和能量守恒定律在d时间内，沿X方向导入微元体的热量：Qx=qx·dA·d=qx·dy·dz·d在d时间内，沿X方向导出微元体的热量：Qx+dX=qx+dX·dA·d=qx+dX·dy·dz·d在d时间内，沿X方向在微元体内积蓄的热量：dQx=Qx-Qx+dX=(qx-qx+dX)dy·dz·d=–dqx·dy·dz·d同理：dQy=–dqy·dx·dz·ddQz=–dqz·dx·dy·d导热的数学描述微元体中总的积蓄热量：dQ=dQx+dQy+dQz=–(dq

8、x·dy·dz·d+dqy·dx·dz·d+dqz·dx·dy·d)另：导热的数学描述导热的数学描述一