数值模拟技术在冶金行业中的应用

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1、第41卷第2期现代冶金Vol.41No.22013年4月ModernMetallurgyApr.2013数值模拟技术在冶金行业中的应用李昊宇，刘莹(大连理工大学,辽宁大连116024)摘要：阐述了数值模拟技术的发展历程，并对目前数值模拟软件在冶金机械设计中的应用情况进行了分析。关键词：数值模拟有限元分析冶金机械中图分类号：O351.2传热学以及电磁学等领域。有限元理论的逐步成熟引言及计算机硬件的迅速发展使得数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用。目前，基于数值模拟技术是力学和现代计算技术相结合有限元分析的各种大型通用商

2、业软件已经广泛应的产物，是计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助工用于国防、航空航天、汽车、机械制造、冶金等各程(CAE)的重要组成部分。随着计算机技术和计算个工业领域，发挥了巨大作用。方法的发展，复杂的机械设计问题可采用离散化的国际上数值模拟技术的主要发展方向主要为：数值计算方法并借助计算机得到满足工程要求的（1）扩充CAE功能，实现多结构耦合分析，实数值解，数值模拟技术成为现代机械设计中的一个现多物理场耦合分析，多尺度耦合分析，以及结构、重要工具。冶金设备具有大型、重载、高速、连续构件及其材料的一体化设计计算与模拟仿真。自动化、

3、精密化及工作条件恶劣等特点，这些特点（2）基于Internet/Intranet=>GridComput对大型冶金设备、重要设备的设计提出了更高要ing的CAD／CAE／CAM/CAPP／PDM/ERP的集成求，为满足这些要求，就必须采用现代力学方法，化、网络化、智能化。充分利用数值模拟软件进行研究，同时应用先进的1.2数值模拟软件应用现状测试技术进行设备诊断，为分析设备的力学行为提供条件。有限元理论的逐步成熟及计算机硬件的迅速发展使得数值模拟技术通过计算机程序在工程中1数值模拟技术发展历程得到广泛的应用，到上世纪八十年代初期，国

4、际上较大型的面向工程的有限元通用程序达到几百种，1.1数值模拟技术涵义其中国际上著名的有：NASTRAN，ANSYS，ABAQUS，DYN-3D，MARC，ASKA，DYNA，MODULEF，FASTRAN等。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法国内主要有JIFEX，FEM，FEPS等。它们都是采用结有边界元法、有限单元法、离散单元法和有限差分构化软件设计方法、用FORTRAN语言和数据文件管法等，但应用较广的是有限单元法。理技术，开发的结构化软件。有限单元法是1960年美国的Clough在一篇题目前，ABAQUS、ANSYS

5、、NASTRAN等大型通用有为“平面应力分析的有限单元法”论文中首先使用限元分析软件已经引进中国，在汽车、航空、机械、的。有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展材料等许多行业得到了应用，不少大型工程项目也而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学采用了这类软件进行分析。中国已经拥有一批科技分析，50年来有限单元法的应用已由弹性力学平面人员在从事CAE技术的研究和应用，取得了不少研问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分究成果和应用经验，但是这些研究和应用的领域以析的对象从弹性材料扩展到塑性材料、粘弹性、粘及分布的行业和地区

6、还很有限，主要局限于少数具塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、有较强经济实力的大型企业、部分大学和研究机收稿日期：2012-11-12第2期李昊宇，等：数值模拟技术在冶金行业中的应用67构。目前国际上先进CAE软件功能如下：载荷等数据。通过对这些数据的综合分析，可得到（1）静力和拟静力的线性与非线性分析最佳工序数、预成型及中间产品形状和加工条件各种单一和复杂组合结构的弹性、弹塑性、塑等。性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断对于冶金材料热处理方面，数值模拟技术不仅裂、损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力具有强大

7、的计算功能，而且由于可以处理包含应应变分析。力、相变和温度等多种物理场耦合问题。因此，可（2）线性与非线性动力分析以显示任意时刻工件内任意截面上的温度场、组织各种动荷载、爆炸与冲击荷载作用下的时程分分布和应力场，能够观察到各种等值面（温度值、析；振动模态分析；交变荷载与谐波响应分析；随应力值、应变值、组织分布值）、等值线随着时间机地震荷载及随机振动分析；屈曲与稳定性分析推移的情况，也可以观察到任何点上的温度一时间等。曲线、组织分布-时间曲线、应力-时间曲线和位移（3）稳态、瞬态热传导与热-力耦合分析-时间曲线。这样就为热处理研究工

8、作提供了一个热传导分析；对流和幅射状态下的热分析；相虚拟现实的环境。变分析；热/结构耦合分析；电磁场和电流分析。现代轧钢生产与轧制技术的飞速发展为轧制（4）电磁场和电流分析理论研究提出了一系列新的课题。例如，传统的轧静态和交变态的电磁场分析；电流与