計算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用

計算機(jī)在材料加工中的應(yīng)用摘要：本文介紹了計算機(jī)模擬在材料加工過程中的發(fā)展趨勢，它將為企業(yè)參與激烈的市場競爭并取得成功提供重要手段，計算機(jī)模擬技術(shù)必將在未來材料加工技術(shù)中起到舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：材料加工；計算機(jī)模擬；虛擬制造；Abstract：Thispaperhasreviewedthedevelopmentalhistoryandtheimportantroleofcomputersimulationofmaterialsprocessinginmanufacturingindustryforcurrentandproposedmaterialsprocessapplicationsaswellastypicalvariablesinterrelatewithspecificprocesselementsandthecapabilityandpayoffofprocesssimulationforthesesameapplications.Keywords：materialprocess，computersimulation，virtualmanufacture1前言隨著時代的發(fā)展，世界制造業(yè)面臨市場開拓和技術(shù)發(fā)展兩大挑戰(zhàn)。高質(zhì)量、低成本、短周期的先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)的發(fā)展方向，它的科學(xué)性、先進(jìn)性、正確性和敏捷性對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展非常重要。虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要標(biāo)志之一[1-2]。虛擬制造與實際制造有本質(zhì)區(qū)別，它是在計算機(jī)防真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，在計算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗等，是在計算機(jī)上實現(xiàn)將原材料變成產(chǎn)品的虛擬現(xiàn)實過程，使得制造技術(shù)走出主要依賴于經(jīng)驗的狹小天地，進(jìn)入全方位預(yù)測，力爭一次成功的新階段，從而縮短產(chǎn)品周期，減少費(fèi)用，提高質(zhì)量。材料加工是先進(jìn)制造技術(shù)中重要的組成，它的應(yīng)用涉及航空航天、汽車、石化、軍事等事關(guān)國民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。在我國加入世貿(mào)組織之后，我國的制造業(yè)面臨更多更大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。材料加工與以切削為主體的冷加工相比，其特點(diǎn)是:從質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)上，在保證零件尺寸形狀精度和表面質(zhì)量的同時，更注重保證零件和結(jié)構(gòu)內(nèi)部組織性能和完整性;在產(chǎn)品和零件設(shè)計上，更強(qiáng)調(diào)針對復(fù)雜型腔和曲面的能力;在工藝過程中，除了運(yùn)動和外力作用等因素，還涉及溫度場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場及內(nèi)部組織的變化;生產(chǎn)環(huán)境惡劣，控制因素多樣。以上特點(diǎn)反映了材料加工過程對綜合自動化和信息集成的需求和復(fù)雜性，因此，充分了解材料加工計算機(jī)模擬的重要性及其發(fā)展趨勢，對于推動我國制造業(yè)的科技進(jìn)步，縮短產(chǎn)品的開發(fā)和加工周期，快速響應(yīng)市場，提高競爭能力，真正體現(xiàn)高速、高效、高質(zhì)的制造優(yōu)勢，具有重要的意義。2計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展計算機(jī)模擬是制造業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物。以有限元方法為基礎(chǔ)的計算機(jī)模擬技術(shù)是20世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的巨大成果，在工程物理科學(xué)的各個分支領(lǐng)域都起著十分重要的作用。新材料、新工藝、新產(chǎn)品、高要求、高精度、低成本的現(xiàn)代制造模式要求深入了解和掌握材料成形機(jī)理、過程變化，在計算機(jī)上實現(xiàn)過程顯現(xiàn)，開拓科學(xué)的工藝和設(shè)計方法，實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計與制造。因此，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)以及以此為基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計方法研究成為當(dāng)今和今后國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。2.1宏觀模擬向微觀模擬深入我們知道在工程中使用的金屬材料大多數(shù)為多晶材料，材料的微觀組織形態(tài)直接影響零件的機(jī)械性能和物理性能，所以選擇合理的加工工藝參數(shù)十分重要。材料加工過程微觀組織的計算機(jī)模擬由于具有描述分子級尺寸水平的能力，這將對控制材料晶粒大小及分布，進(jìn)一步了解位錯的產(chǎn)生和運(yùn)動、晶界結(jié)構(gòu)、防止內(nèi)部空洞和微裂紋的萌生和擴(kuò)展等問題提供了新的方法[3-4]，將大大推動材料微觀結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展，并對確定優(yōu)化材料加工的工步數(shù)和順序、熱處理方案十分有益。此外，在金屬成形過程中，適用的優(yōu)化準(zhǔn)則對材料最終的力學(xué)性能和微觀組織性能具有重要的影響，通過優(yōu)化坯料形狀或預(yù)成形模具形狀、模具速度使最終鍛件具有良好的尺寸精度、少無飛邊和所期望的微觀組織。為此，一方面要要研究合適的優(yōu)化設(shè)計變量的選擇，包括影響終鍛件力學(xué)組織性能的狀態(tài)變量和過程變量，即形狀設(shè)計變量和速度設(shè)計變量。另一方面要研究和建立微觀組織優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)考慮晶粒尺寸大小及分布，再結(jié)晶晶粒尺寸、再結(jié)晶程度和無再結(jié)晶部分的晶粒尺寸及其體積分?jǐn)?shù)。2.2高精度、高效三維有限元模擬近二十年間，以有限元法為核心的數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形領(lǐng)域中應(yīng)用，所采用的理論體系從小變形彈塑性有限元理論、剛-(粘)塑性有限元理論，到現(xiàn)在的大變形彈-(粘)塑性有限元理論，分析技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸趨于成熟。采用大變形彈-(粘)塑性有限元法分析金屬成形問題，不僅能按照變形路徑得到塑性區(qū)的發(fā)展情況，工件中的應(yīng)力、應(yīng)變的分布規(guī)律，以及幾何形狀的變化，而且能有效地處理卸載，計算殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變，從而可以分析和防止產(chǎn)品的缺金屬材料的成形通常在高溫下進(jìn)行，工件塑性成形是一個復(fù)雜的熱力學(xué)過程，受到應(yīng)力應(yīng)變分布不均勻、硬化和再結(jié)晶等因素的影響，而工件的形狀和尺寸精度及其內(nèi)部質(zhì)量和性能決定著產(chǎn)品質(zhì)量。熱處理過程作為材料加工中不可缺少的環(huán)節(jié)，是一個包含溫度、相變、應(yīng)力/應(yīng)變相互作用的復(fù)雜過程，是一個多機(jī)制綜合作用的過程。對其進(jìn)行組織性能預(yù)測的數(shù)值模擬，首先必須通過大量實驗，使模擬技術(shù)建立在可靠的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，將組織場-變形場-溫度場三者進(jìn)行耦合計算，將成形過程與熱處理工藝的模擬與質(zhì)量控制相結(jié)合，使模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。由此可作為參考對影響成形過程和熱處理工藝的各種工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計，以適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的要求(高精度、高質(zhì)量、高效率)。2.4虛擬制造系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)代化制造加工業(yè)的目的應(yīng)是適應(yīng)全球市場需求，目標(biāo)應(yīng)是應(yīng)用CAD/CAE/CAM技術(shù)來實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低費(fèi)用產(chǎn)品生產(chǎn)。為適應(yīng)現(xiàn)代化制造業(yè)中要求柔性化、快捷、低成本及高質(zhì)量的要求，在生產(chǎn)設(shè)計中互相借助彼此硬件和軟件技術(shù)，把最先進(jìn)的技術(shù)集中起來不失為一種好的解決方法。但這種集成與常規(guī)的集成技術(shù)不同，它是虛擬的，是一種并行工程思想與先進(jìn)制造技術(shù)的綜合體現(xiàn)。它主要包括:1、敏捷制造(AM):利用“競爭—合作/合同”機(jī)制，發(fā)揮局部特長;2、并行工程(CE):實現(xiàn)同步設(shè)計、加工、核算和管理;3、專家系統(tǒng)(ES):實現(xiàn)領(lǐng)域知識和復(fù)雜問題的評價和求解;4、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及先進(jìn)的管理系統(tǒng)(NT-MS):實現(xiàn)先進(jìn)集成技術(shù)的最快捷的手段。圖1為虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。基于虛擬系統(tǒng)的制造業(yè)，將是21世紀(jì)市場上一種較好較快實現(xiàn)產(chǎn)品的運(yùn)營方針，可大大減低新產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險，提高經(jīng)濟(jì)效益，最終使企業(yè)在激烈的市場競爭中立于不敗之地。圖1圖1虛擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.5反向設(shè)計技術(shù)與專家系統(tǒng)在某一給定的成形工藝中，最終產(chǎn)品的材料狀態(tài)和幾何形狀取決于諸多工藝參數(shù)(加載條件、模腔形狀、模具潤滑條件、初始坯料幾何尺寸等)，若考慮某些工藝參數(shù)固定不變，則通過對另一些工藝參數(shù)的反復(fù)模擬和修改，以得到所希望得到的最終產(chǎn)品的材料狀態(tài)和幾何尺寸，成形工藝的設(shè)計可認(rèn)為是對于初始坯料和隨后的各預(yù)成形坯及模具的設(shè)計，但這種反復(fù)迭代的方法需要花費(fèi)大量的計算時間是極不經(jīng)濟(jì)的。八十年代中，S.Kobayashi等系統(tǒng)研究了這一問題，提出了反向模擬技術(shù)(BackwardTracingTechnique)，即從一給定的最終形態(tài)，沿著相反的加載路徑，反向模擬實際的工藝過程，該方法為工藝設(shè)計開辟了新途徑。近十年來，反向模擬技術(shù)得到了一定的進(jìn)展和應(yīng)用，但始終沒取得突破性進(jìn)展，其主要原因是從最終形態(tài)反向模擬時，無法給定初始場量，因此獲得的初始毛坯設(shè)計在理論上存在缺陷，無法估計設(shè)計所帶來的誤差。近年來，工藝設(shè)計與優(yōu)化的技術(shù)取得了新的進(jìn)展，提出了敏感性分析(SensitivityAnalysis)的反向設(shè)計方法(InverseMethod)，該方法將預(yù)成形設(shè)計和模具設(shè)計問題處理為優(yōu)化問題，用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述，將優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)定義為一組給定設(shè)計變量中所希望的最終狀態(tài)和數(shù)值計算狀態(tài)之間的誤差的某種度量，敏感性分析是一種廣泛用于計算目標(biāo)函數(shù)梯度的方法，由于所求解的問題高度非線性并具有歷史依賴性，因此，最適合應(yīng)用直接差分法(DirectDifferentiationMethod)，控制方程直接由敏感性場的場量公式差分得到。該方法已成功地應(yīng)用于坯料和模具形狀的優(yōu)化設(shè)計中。另外，在材料加工領(lǐng)域中，許多設(shè)備和工藝問題主要還是利用已經(jīng)總結(jié)出來的經(jīng)驗公式和參數(shù)，加上仍存在于專家頭腦中的經(jīng)驗知識來解決。在實際生產(chǎn)中，經(jīng)驗知識的運(yùn)用往往多于數(shù)學(xué)分析運(yùn)算，且很有效，因此，如何充分發(fā)揮這些知識的作用，充分利用這一資源，具有非常重要的意義。專家系統(tǒng)就是很好的解決方法，它利用知識的顯式表示、事實和推理技術(shù)，以解決通常需要專家才能解決的問題。一個典型的專家系統(tǒng)包括:知識獲取的裝置，收集專家們在該領(lǐng)域的規(guī)則和知識，這一裝置也包括規(guī)則編輯器，允許用戶改進(jìn)現(xiàn)有規(guī)則和增加新的規(guī)則;存儲事實和規(guī)則的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫通?？膳c其它數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)合；一個推理機(jī)，以確定如何應(yīng)用知識規(guī)則來解決問題：一個用戶界面，以允許非專家的用戶使用該系統(tǒng)來解決特殊問題。該方法正廣泛應(yīng)用于材料加工的工藝設(shè)計中。2.6新模擬技術(shù)開發(fā)數(shù)值分析的巨大成果是有限元方法。但是，當(dāng)網(wǎng)格高度畸變時，這種以單元作為基本概念的方法卻有許多難以處理的問題，主要原因是網(wǎng)格的存在妨礙了處理與原始網(wǎng)格線不一致的不連續(xù)性和大變形。在處理這類問題時，有限元法通常采用網(wǎng)格重構(gòu)，但這樣不僅計算費(fèi)用昂貴，而且會使計算精度受損[13]。為解決上述問題，近年來，一種新的無網(wǎng)格數(shù)值方法正在迅速發(fā)展。無網(wǎng)格方法將連續(xù)體離散為有限數(shù)目的質(zhì)點(diǎn)，位移場函數(shù)在沒有明顯網(wǎng)格的情況下通過這些質(zhì)點(diǎn)的插值得到，該方法僅采用基于點(diǎn)的近似，而不需要節(jié)點(diǎn)的連續(xù)信息，不僅避免了繁瑣的單元網(wǎng)格生成，而且提供了連續(xù)性好、形式靈活的場函數(shù)，具有前后處理簡單、精度高等方面的優(yōu)點(diǎn)。在處理彈塑性、裂紋擴(kuò)展、移動界面、高速碰撞以及具有大變形特征的工業(yè)成形問題時具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。無網(wǎng)格方法以其在場函數(shù)近似、局部特征描述等方面特有的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究價值。3結(jié)語先進(jìn)制造技術(shù)是制造業(yè)賴以生存、國民經(jīng)濟(jì)得以發(fā)展的主體技術(shù)，以制造技術(shù)為焦點(diǎn)的技術(shù)競爭已在全球展開。計算機(jī)模擬技術(shù)使制造技術(shù)走出從前主要依賴于經(jīng)驗的狹小天地，進(jìn)入全方位預(yù)測，力爭一次成功的新階段，從而實現(xiàn)有效的現(xiàn)代工程設(shè)計和迅速的新產(chǎn)品開發(fā)。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的不斷完善發(fā)展，它將繼網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)后成為21世紀(jì)材料加工技術(shù)的又一技術(shù)支撐環(huán)境。參考文獻(xiàn):[1]AliheimerWE，ShahinpoorM，StantonSL.VirtualManufacturing[R].Albupuerpue，NewMexico.USA，1995.[2]HatamuraY，NagaoTMitsuishi.AfundamentalstructureforIM.[J].ProcisionEngin.，1993，15(4):266-273.[3]NakamachiE，DongX.Elastic/Crystalline2viscoplasticfiniteelementanalysisofdynamicdeformationofsheetmetal[J].Engineeringcomputation，1996，31:56-62.[4]董湘懷.金屬塑性變形中織構(gòu)演化的計算機(jī)模擬[J].塑性工程學(xué)報，1998，5(3):8-14.[5]ChoJR，YangDY.Three-dimensionalfiniteelementsimulationofaspiderhotforgingprocessusinganewremeshingscheme[J].JounalofMaterialsProcessingTechnology，2000(99):219-225.[6]王紀(jì)武，胡忠，王本一，等.高精度三維塑性有限元網(wǎng)格重劃技術(shù)的研究[J].塑性工程學(xué)報，1998，5(1):15-19.[7]ShenShan-fu，DawasonPaulR.(Eds.)SimulationofMaterialsProcessing:Theory，MethodsandApplications.ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceonNumericalMethodsinIndustrialFormingProcesses.NewYork，1995[8]胡忠.塑性有限元模擬技術(shù)的最新進(jìn)展.塑性工程學(xué)報，1994，1(3):3～13[9]胡忠，王志誠，陳國學(xué)等.塑性有限元數(shù)值模擬的二維及三維網(wǎng)格重劃技術(shù).清華大學(xué)學(xué)報，1996，36(3):78～83[10