一、技術(shù)概述
熱加工工藝模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是應(yīng)用模擬仿真、試驗(yàn)測(cè)試等手段，在擬實(shí)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(yù)測(cè)其組織性能質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)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。通過建立能準(zhǔn)確描述某一熱加工工藝過程的數(shù)理模型及對(duì)數(shù)理方程的簡化求解，動(dòng)態(tài)顯示該過程并預(yù)測(cè)其結(jié)果。分為宏觀（mm-m級(jí)）、微觀（µm-mm級(jí)）、原子（nm-µm級(jí)）三個(gè)不同的模擬尺度。
2．熱加工過程的物理模擬及專家系統(tǒng)。通過得到準(zhǔn)確的臨界判據(jù)，檢驗(yàn)、校核數(shù)值模擬的結(jié)果；用于影響因素十分復(fù)雜的工藝過程，作為數(shù)值模擬的必要補(bǔ)充。
3．熱加工過程的基礎(chǔ)理論及缺陷形成原理。它是準(zhǔn)確地建立過程數(shù)理模型，得到缺陷科學(xué)判據(jù)的研究基礎(chǔ)。
材料熱加工工藝模擬研究于1962年開始于鑄造過程，進(jìn)入70年代后，從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛壓、焊接、熱處理，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)，針對(duì)常規(guī)鑄造、沖壓、熱鍛已經(jīng)形成一批熱加工工藝模擬商業(yè)軟件；并已在鑄造、鍛壓生產(chǎn)中得到一定應(yīng)用，在注塑、焊接、熱處理中的應(yīng)用剛剛起步；同時(shí)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。
近年來，熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是：
（1）宏觀－中觀－微觀
已普遍由建立在溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、變形場(chǎng)基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測(cè)形狀、尺寸，輪廓的宏觀尺度模擬（mm-m級(jí)）進(jìn)入到以預(yù)測(cè)組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度模擬（毫米量級(jí)）及微觀尺度模擬（微米量級(jí)）階段。
（2）單－分散－耦合集成
模擬功能已由單一的物理場(chǎng)模擬普遍進(jìn)入到多種物理場(chǎng)相互耦合集成的階段，以真實(shí)模擬復(fù)雜的熱加工過程。
（3）共性、通用－專用、特性
由于普通鑄造、沖壓、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(diǎn)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。主要方向一是解決特種熱加工工藝（如壓鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等）模擬及工藝優(yōu)化問題；二是解決加工件的缺陷（混晶、回彈、熱裂、冷裂、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(chǔ)性研究
主要有：熱加工基礎(chǔ)理論、缺陷形成機(jī)理及判據(jù)、新的數(shù)理模型、新的算法、前后處理等基礎(chǔ)性研究及物理模擬與精確測(cè)試技術(shù)等。
（5）重視集成技術(shù)，使工藝模擬成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分。
包括：在并行環(huán)境下，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，與零件的安全可靠性能實(shí)現(xiàn)集成。
3．我國的優(yōu)勢(shì)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(kuò)展至鍛造、沖壓、焊接、熱處理及注塑等各專業(yè)，吸引了一大批優(yōu)秀的科技人員投身該領(lǐng)域研究。在多年研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)多家研究院所及高校聯(lián)合投標(biāo)，于1997年“金屬材料熱成形過程的動(dòng)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(xiàng)目，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，大鍛件混晶預(yù)測(cè)，焊接工藝性的物理模擬及精確測(cè)試等方面的研究居世界先進(jìn)水平。但在模擬軟件的商品化開發(fā)，研究工作的硬、軟件環(huán)境等方面有較大的差距。
針對(duì)金屬材料鑄造、鍛壓、焊接、熱處理及非金屬材料注塑等熱加工過程，以材料熱加工理論分析為基礎(chǔ)，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(shí)驗(yàn)技術(shù)，能對(duì)熱加工過程的組織、性能、質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在材料熱加工基礎(chǔ)理論及缺陷形成機(jī)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(chǔ)性研究取得進(jìn)展。通過本項(xiàng)研究，使該研究領(lǐng)域全面趕上當(dāng)代國際水平，在某些方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
主要研究內(nèi)容
（1）金屬材料熱加工過程的基礎(chǔ)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(dòng)充型、凝固結(jié)晶、固態(tài)流動(dòng)變形、相變、再結(jié)晶與重結(jié)晶等一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、冶金變化原理及數(shù)理模型；揭示充型過程的卷氣、夾渣、冷隔，凝固結(jié)晶過程的縮松、熱裂、偏析，固態(tài)流動(dòng)變形過程的孔洞、裂紋、混晶、皺折、回彈，焊接過程的凝固裂紋、氫致裂紋，固態(tài)相變過程的畸變、裂紋等缺陷的形成原理，得出臨界判據(jù)。
（2）金屬材料熱加工的宏觀數(shù)值模擬、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、鍛造、沖壓、焊接、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、大鍛件、大型焊接結(jié)構(gòu)件及一些特種毛坯件（壓鑄、電渣熔鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等）的工藝優(yōu)化問題，提出消除其宏觀缺陷的方法，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。
（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(cè)
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，焊接過程氫擴(kuò)散與集聚，高溫區(qū)熔池尾部應(yīng)力應(yīng)變，加熱冷卻過程應(yīng)力一組織轉(zhuǎn)變的定量關(guān)系等微觀數(shù)值模擬技術(shù)，完成微米量級(jí)（µ m）的熱加工微觀數(shù)值模擬的研究工作，解決熱加工常見的微觀缺陷（偏析、氣孔、混晶、氫致裂紋等）問題，并初步推出部分商品化軟件。納米量級(jí)的模擬工作開始起步。
（4）金屬材料熱加工工藝性的物理模擬和精確評(píng)價(jià)技術(shù)
配合數(shù)值模擬，研究并掌握凝固結(jié)晶過程直觀的觀測(cè)方法，材料焊接熔池尾部高溫應(yīng)力應(yīng)變及凝固裂紋形成阻力測(cè)試技術(shù)，焊接過程局部區(qū)域氫濃度的測(cè)試方法，相變塑性及應(yīng)力誘發(fā)相變的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法等相關(guān)的物理模擬及工藝性的精確測(cè)試、評(píng)價(jià)技術(shù)，能為宏觀及微觀數(shù)值模擬提供精確、適用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基本判據(jù)和合宜的校核、檢驗(yàn)方法。
（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、鍛壓兩個(gè)專業(yè)的工藝模擬、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；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)；工藝模擬與零件性能及安全可靠性的集成研究開始啟動(dòng)，并獲得初步結(jié)果。
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