材料成形過程數(shù)值模擬

前言

材料成形數(shù)值模擬技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家已得到較為廣泛的認同與應(yīng)用，它為材料成形過程研究、工模具設(shè)計、工藝參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)品質(zhì)量控制等方法和手段的變革帶來意義深遠的影響。設(shè)計人員和工藝人員可以借助計算機平臺模擬和預(yù)測材料成形過程中潛在的各種問題，及時修改和優(yōu)化設(shè)計，從而減少物理試驗次數(shù)，縮短工模具開發(fā)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。 由于材料成形數(shù)值模擬技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多，對專業(yè)綜合基礎(chǔ)理論及其應(yīng)用的要求較高，所以，《材料成形過程數(shù)值模擬》或類似課程原來只面向研究生開設(shè)。但是，基于市場競爭加劇和勞動力成本壓力，迫使部分企業(yè)開始逐漸重視本科畢業(yè)生掌握CAE技術(shù)的能力。由于起步較晚、知識點較多、教學(xué)難度較大，以及過于偏重理論與數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)等諸多因素，造成《材料成形過程數(shù)值模擬》或類似教材的內(nèi)容不能很好地滿足當(dāng)前本科教學(xué)需要?？紤]到本科層面的《材料成形過程數(shù)值模擬》教學(xué)主要是《材料成形CAD/CAE/CAM基礎(chǔ)》或類似課程的延伸，且絕大多數(shù)高校將其作為專業(yè)選修（必選或任選）課對待，因此，本書在內(nèi)容編排上，側(cè)重于將學(xué)習(xí)材料成形過程數(shù)值模擬必需的基礎(chǔ)理論與實用的專業(yè)知識及專業(yè)技能有機地結(jié)合，舍去過多的理論闡述和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，為每一章增加若干可以舉一反三的應(yīng)用實例，使本科學(xué)生能夠在較短的時間內(nèi)，了解支撐材料成形數(shù)值模擬應(yīng)用的基礎(chǔ)理論與相關(guān)技術(shù)，初步熟悉借助CAE方法解決實際問題的基本思路及其過程，配合必要的上機實驗，掌握1～2個主流CAE軟件操作，為后續(xù)畢業(yè)設(shè)計和今后參加工作奠定某些基礎(chǔ)。 本書共分7章，其中，第1章介紹材料成形過程數(shù)值模擬的基本概念、工程意義、應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；第2章主要介紹有限元與有限差分法的入門知識，以及應(yīng)用數(shù)值方法模擬材料成形的若干技術(shù)問題；而第3～7章則重點介紹數(shù)值模擬技術(shù)在金屬鑄造成形、沖壓成形、鍛壓成形、焊接成形以及塑料注射成形中的應(yīng)用，包括相關(guān)理論、數(shù)值方法、實現(xiàn)過程、應(yīng)用案例等內(nèi)容。為方便讀者自學(xué)，在每一章后還附有復(fù)習(xí)思考題。 本書由西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院共同完成，其中傅建編寫第1、2、5章，彭必友編寫第3、6章，曹建國編寫第4、7章。此外，參加編寫工作的還有四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院張光明、成都航天模塑股份有限公司余玲。全書由傅建統(tǒng)稿。鑒于作者水平有限，書中難免有不當(dāng)之處，敬請讀者和同行批評指正。

內(nèi)容概要

本書結(jié)合材料常用成形方法（鑄造、沖壓、鍛造、焊接和塑料注射）介紹了數(shù)值模擬的基本概念、原理、技術(shù)、方法和應(yīng)用，內(nèi)容主要包括：有限元與有限差分法基礎(chǔ)、金屬鑄造、沖壓、鍛壓、焊接和塑料注射成形數(shù)值模擬所涉及的相關(guān)理論、數(shù)值方法、實現(xiàn)過程、應(yīng)用案例等。     本書可作為高等院校材料成型與控制工程專業(yè)本科學(xué)生的教材，也可供材料學(xué)科和機械學(xué)科相關(guān)專業(yè)的師生，以及從事材料加工與工模具設(shè)計制造的科技人員參考。

書籍目錄

第1章　緒論　1.1　材料成形數(shù)值模擬的基本概念　1.2　材料成形數(shù)值模擬的工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀　　1.2.1　工程意義　　1.2.2　應(yīng)用現(xiàn)狀　1.3　材料成形數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢　復(fù)習(xí)思考題第2章　有限元與有限差分法基礎(chǔ)　2.1　有限元法基礎(chǔ)　　2.1.1　基本概念與技術(shù)優(yōu)勢　　2.1.2　有限元方程的建立與應(yīng)用　　2.1.3　有限元解的收斂性與誤差控制　　2.1.4　非線性問題的有限元法　2.2　有限差分法基礎(chǔ)　　2.2.1　有限差分法的特點　　2.2.2　有限差分數(shù)學(xué)知識　　2.2.3　利用有限差分法求解應(yīng)用問題的一般步驟　2.3　邊界元法簡介　2.4　應(yīng)用數(shù)值方法模擬材料成形的若干注意事項　　2.4.1　簡化模型　　2.4.2　選擇單元　　2.4.3　劃分網(wǎng)格　　2.4.4　建立初始條件和邊界條件　　2.4.5　定義材料參數(shù)　復(fù)習(xí)思考題第3章　金屬鑄造成形中的數(shù)值模擬　3.1　概述　3.2　鑄造成形數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ)　　3.2.1　鑄件凝固過程的數(shù)值模擬　　3.2.2　鑄液充型過程的數(shù)值模擬　　3.2.3　鑄件凝固收縮缺陷的數(shù)值模擬　　3.2.4　鑄造應(yīng)力場的數(shù)值模擬　3.3　金屬鑄造成形數(shù)值模擬主流專業(yè)軟件簡介　　3.3.1　MAGMAsoft　　3.3.2　ProCAST　　3.3.3　FLOW?3D　　3.3.4　JSCAST　　3.3.5　AnyCasting　　3.3.6　華鑄CAE　3.4　應(yīng)用案例　　3.4.1　防噴器殼體鑄件凝固模擬分析　　3.4.2　防噴器活塞的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計　　3.4.3　變速箱上蓋鋁合金壓鑄件的流動與凝固分析　　3.4.4　其他案例　復(fù)習(xí)思考題第4章　金屬沖壓成形中的數(shù)值模擬　4.1　概述　　4.1.1　板料沖壓成形的基本方法　　4.1.2　數(shù)值模擬在沖壓工藝設(shè)計與模具設(shè)計中的應(yīng)用　4.2　彈塑性有限元法　　4.2.1　小變形彈塑性有限元法　　4.2.2　大變形彈塑性有限元法　　4.2.3　彈塑性有限元法應(yīng)用中的若干技術(shù)問題　4.3　金屬沖壓成形數(shù)值模擬主流專業(yè)軟件簡介　　……第5章　金屬鍛壓成形中的數(shù)值模擬第6章　金屬焊接成形中的數(shù)值模擬第7章　塑料注射成形中的數(shù)值模擬參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論1.1 材料成形數(shù)值模擬的基本概念以液態(tài)鑄造成形、固態(tài)塑性成形和連接成形，以及黏流態(tài)注射成形等為代表的材料加工工程是現(xiàn)代制造業(yè)的重要組成部分，材料加工不僅賦予成品件或半成品件幾何形狀，而且還決定其組織結(jié)構(gòu)與使用性能。材料成形數(shù)值模擬是計算機輔助工程分析（CAE）技術(shù)在材料成形領(lǐng)域的具體應(yīng)用，其基本含義是指：將一個成形過程（或過程的某一方面）定義為由一組控制方程加上邊界條件構(gòu)成的定解問題，利用合適的數(shù)值方法求解該定解問題，從而獲得對成形過程的定量認識?；蛘吆喍灾?，材料成形數(shù)值模擬是指在計算機系統(tǒng)平臺上利用數(shù)值方法仿真（虛擬）材料的成形過程（或過程的某一方面）。材料成形數(shù)值模擬的目的是幫助人們認識與掌握材料特性、成形方案、工藝參數(shù)、產(chǎn)品形狀、模面結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、工裝夾具、載荷輸入等內(nèi)在、外在因素對材料成形質(zhì)量和工模具壽命的影響；同時，為縮短成形制品與成形模具的開發(fā)周期、減少物理試模次數(shù)、優(yōu)化現(xiàn)場成形工藝、選用成形設(shè)備、控制產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供定量或定性數(shù)據(jù)支持。材料成形數(shù)值模擬涉及工程力學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)、冶金學(xué)、材料學(xué)．材料成形原理、材料成形工藝、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算數(shù)學(xué)，以及圖形學(xué)、電磁學(xué)、軟件工程和計算機技術(shù)等諸多相關(guān)學(xué)科，是多學(xué)科知識及技術(shù)的交叉與融合。當(dāng)然，對于不同的材料成形領(lǐng)域（鑄造、鍛壓、焊接、注射等）所涉及的學(xué)科種類會有所不同。廣泛的學(xué)科理論、合理的數(shù)學(xué)模型（數(shù)理方程）、高效的計算方法、準確的材料參數(shù)、嚴格的邊界定義、可靠的檢測手段、必要的物理實驗，以及堅實的專業(yè)知識、豐富的現(xiàn)場經(jīng)驗和成熟的CAE系統(tǒng)是確保數(shù)值模擬技術(shù)在材料成形領(lǐng)域成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

編輯推薦

《材料成形過程數(shù)值模擬》是由化學(xué)工業(yè)出版社出版的。

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