热加工的工艺模拟及优化设计技术

HEATS

　　一、技术概述

/ |( W" |; h( W0 _' v7 W. I4 h

　　热加工工艺模拟及优化设计技术是应用模拟仿真、试验测试等手段，在拟实的环境下模拟材料加工工艺过程，显示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织及缺陷的演变情况，预测其组织性能质量，达到优化工艺设计目的的一门崭新技术。它的研究范围一般可分为：

8 E0 h* V6 _; b0 `& [ 0 g8 J7 N7 \+ _# Y2 m4 F5 w. z

　　1.热加工过程的数值模拟。通过建立能准确描述某一热加工工艺过程的数理模型及对数理方程的简化求解，动态显示该过程并预测其结果。分为宏观(mm-m级)、微观(µm-mm级)、原子(nm-µm级)三个不同的模拟尺度。

; ]: E( K- G7 u3 m S+ _: t) S. k

　　2.热加工过程的物理模拟及专家系统。通过得到准确的临界判据，检验、校核数值模拟的结果；用于影响因素十分复杂的工艺过程，作为数值模拟的必要补充。

: z1 P1 N3 J$ R { 7 ^9 x- L4 i7 ~$ N

　　3.热加工过程的基础理论及缺陷形成原理。它是准确地建立过程数理模型，得到缺陷科学判据的研究基础。

　　二、现状及国内外发展趋势

" ~/ V* w9 {7 x+ x/ S, ?! i- I

　　1.国内外发展现状

　　材料热加工工艺模拟研究于1962年开始于铸造过程，进入70年代后，从铸造逐步扩展到锻压、焊接、热处理，在全世界形成了材料热加工工艺模拟的研究热潮。

; `) c$ I8 e0 o, l; X5 x

　　经多年研究开发，针对常规铸造、冲压、热锻已经形成一批热加工工艺模拟商业软件；并已在铸造、锻压生产中得到一定应用，在注塑、焊接、热处理中的应用刚刚起步；同时数值模拟已逐步成为新工艺研究开发的重要手段和方法。

: r, x# H0 m2 l2 N& D6 j" Y * X. H$ `+ v6 T6 O5 ?# f1 X% B3 q8 y

　　2.发展趋势展望

6 Z! z/ E+ z7 P$ p* D9 x / u* {/ [4 Q# X; {# r7 E; E

　　近年来，热加工工艺模拟不断向广度、深度拓展，其技术发展趋势是：

/ F* j/ N3 d$ W0 B

　　(1)宏观-中观-微观

) `% O# ^3 Q" g. X) N

　　已普遍由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸，轮廓的宏观尺度模拟(mm-m级)进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度模拟(毫米量级)及微观尺度模拟(微米量级)阶段。

h! X8 R6 Y8 J y

　　(2)单-分散-耦合集成

2 {' j: w, \6 ^8 x. L 4 k/ A x9 {* n( r: K, l _2 |% R

　　模拟功能已由单一的物理场模拟普遍进入到多种物理场相互耦合集成的阶段，以真实模拟复杂的热加工过程。

. a, |7 c% D1 X1 d* R

　　(3)共性、通用-专用、特性

- N) f. |9 T2 W7 V 7 _( {3 n- J2 {( j

　　由于普通铸造、冲压、锻造工艺模拟的日益成熟及商业软件的出现，研究工作的重点和前沿已由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题。主要方向一是解决特种热加工工艺(如压铸、金属型铸造、楔横轧等)模拟及工艺优化问题；二是解决加工件的缺陷(混晶、回弹、热裂、冷裂、变形等)消除问题。

) \/ [ t2 |/ E, n ; P% o4 B8 Q1 ?" {6 S9 X& V

　　(4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究

j. Z1 }. e9 P7 F; }" ~1 {) m: c 4 O0 A% D; g6 R+ p/ N/ M

　　主要有：热加工基础理论、缺陷形成机理及判据、新的数理模型、新的算法、前后处理等基础性研究及物理模拟与精确测试技术等。

　　(5)重视集成技术，使工艺模拟成为先进制造系统的重要组成部分。

　　包括：在并行环境下，与产品、模具CAD／CAE／CAM系统集成，与零件加工制造系统集成，与零件的安全可靠性能实现集成。

　　3.我国的优势及不足

1 B( b6 s& B6 f/ U9 x* W

　　我国于70年代末期开始研究铸造工艺模拟，以后逐步扩展至锻造、冲压、焊接、热处理及注塑等各专业，吸引了一大批优秀的科技人员投身该领域研究。在多年研究的基础上，国内多家研究院所及高校联合投标，于1997年“金属材料热成形过程的动态模拟及组织性能质量的优化控制”入选国家攀登B项目，为攀登国际前沿提供了很好的条件。我国在铸造微观组织模拟，大锻件混晶预测，焊接工艺性的物理模拟及精确测试等方面的研究居世界先进水平。但在模拟软件的商品化开发，研究工作的硬、软件环境等方面有较大的差距。

; k& ^6 l& K" i _' m* T

　　三、“十五”目标及主要研究内容

/ Q. x* z+ b& ?, y/ z8 J7 U

　　1.目标

1 v* J @' W) R9 Y9 `4 x g Z

　　针对金属材料铸造、锻压、焊接、热处理及非金属材料注塑等热加工过程，以材料热加工理论分析为基础，通过数值模拟和物理模拟研究，开发一系列商品化软件及实验技术，能对热加工过程的组织、性能、质量进行预测和优化控制，实现工艺优化设计，并在材料热加工基础理论及缺陷形成机理的某些方面有所发展和创新，并行工程环境下的虚拟制造成形的基础性研究取得进展。通过本项研究，使该研究领域全面赶上当代国际水平，在某些方面达到国际领先水平。

4 w; g" q( [6 T; Q ]

　　2.主要研究内容

3 c, n& j( i; G/ l: c. R

　　(1)金属材料热加工过程的基础理论及缺陷形成原理的研究

* c; Z3 W& R5 F4 G

　　研究材料热加工过程中的液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶与重结晶等一系列复杂的物理、化学、冶金变化原理及数理模型；揭示充型过程的卷气、夹渣、冷隔，凝固结晶过程的缩松、热裂、偏析，固态流动变形过程的孔洞、裂纹、混晶、皱折、回弹，焊接过程的凝固裂纹、氢致裂纹，固态相变过程的畸变、裂纹等缺陷的形成原理，得出临界判据。

p4 p. t# m/ Y' L # ~. }" c; Q; N# V) g

　　(2)金属材料热加工的宏观数值模拟、工艺优化及商品化软件技术

5 O, W T- t( |6 n. Q7 x- {

　　完成金属材料主要热加工方法(铸造、锻造、冲压、焊接、热处理)的宏观模拟及工艺优化的研究开发，解决大铸件、大锻件、大型焊接结构件及一些特种毛坯件(压铸、电渣熔铸、金属型铸造、楔横轧等)的工艺优化问题，提出消除其宏观缺陷的方法，并推出具有我国自主版权的热加工工艺模拟商品化软件。

# l+ x$ u7 e. G2 \4 Q; y ) S" j0 a# p# q' a. J% n

　　(3)金属材料热加工的微观数值模拟及组织性能质量的观测

　　通过研究微观组织模拟的理论及模型算法，塑性成形晶粒度演化，焊接过程氢扩散与集聚，高温区熔池尾部应力应变，加热冷却过程应力一组织转变的定量关系等微观数值模拟技术，完成微米量级(µm)的热加工微观数值模拟的研究工作，解决热加工常见的微观缺陷(偏析、气孔、混晶、氢致裂纹等)问题，并初步推出部分商品化软件。纳米量级的模拟工作开始起步。

$ g' p. n' `1 i/ F" V+ C % A+ P7 @9 s( ]' b3 B1 N& F

　　(4)金属材料热加工工艺性的物理模拟和精确评价技术

　　配合数值模拟，研究并掌握凝固结晶过程直观的观测方法，材料焊接熔池尾部高温应力应变及凝固裂纹形成阻力测试技术，焊接过程局部区域氢浓度的测试方法，相变塑性及应力诱发相变的实验验证方法等相关的物理模拟及工艺性的精确测试、评价技术，能为宏观及微观数值模拟提供精确、适用的基础数据，基本判据和合宜的校核、检验方法。

' O% ?' z( I1 r1 O* E

　　(5)并行环境下热加工工艺模拟与其它技术环节集成技术

　　完成并行环境下，铸造、锻压两个专业的工艺模拟、优化与零件CAD／CAM的集成，推出商品化的CAD／CAE／CAM一体化系统软件；完成冲压工艺模拟与冲压生产系统的集成研究并用于生产；工艺模拟与零件性能及安全可靠性的集成研究开始启动，并获得初步结果。 0 o* |! l# G; T, j- [8 n1 ^【MechNet】

3 Z2 l2 ^+ B" J+ H: Z! w