第1章　緒論

1.1　材料加工物理模擬的基本概念和現(xiàn)代意義

所謂模擬是對真實事件或者過程的虛擬或物擬。模擬要表現(xiàn)出選定的物理系統(tǒng)或抽象系統(tǒng)的關(guān)鍵特性。模擬的關(guān)鍵問題主要包括有效信息的獲取、關(guān)鍵特性和表現(xiàn)的選定、近似簡化和假設(shè)的應(yīng)用以及模擬的重現(xiàn)度和有效性。

模擬是工業(yè)、科學(xué)和教育中的一種研究或教學(xué)方法。它可在測驗條件下再現(xiàn)實際事件和過程。模擬方法種類頗多，從用紙筆和木板再現(xiàn)情境，直到用復(fù)雜的計算機(jī)輔助的相互作用體系。實驗中使用模擬方法，使研究者能不用稀有材料或昂貴儀器而進(jìn)行奇異的“仿真實驗室”的實驗或演示。在汽車制造業(yè)中，計劃的汽車設(shè)計在計算機(jī)模擬中來進(jìn)行模擬風(fēng)洞試驗，可以把原來用于制造和試驗原型的時間節(jié)約幾百小時。壓縮或放大時間或空間是模擬技術(shù)節(jié)省成本的另一個特點。任何地方發(fā)生的事件，其真實時間可能為幾小時直至極長的時間，但在幾分鐘內(nèi)即可模擬出來。例如，醫(yī)學(xué)研究人員常常要隔離器官，并且要用人工方法維持其生命，進(jìn)行培育，注入化學(xué)藥物，以等待結(jié)果。然而，當(dāng)一個被選擇的器官的正常機(jī)能可被精確地模擬下來時，研究人員在幾分鐘之內(nèi)即可觀察到范圍廣泛的許多事件對器官機(jī)能發(fā)生的影響。同樣，天文學(xué)家使用計算機(jī)模擬銀河系運動，可以演示數(shù)百萬年才能完成的事件，例如兩個星系的碰撞，以檢驗理論描述的正確性。作為教學(xué)方法，模擬可使學(xué)生以逼真的方式處理重大事情，而在他們作出錯誤選擇時也不致產(chǎn)生惡果。這種方法在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練中十分有用。例如，艾伯塔大學(xué)醫(yī)學(xué)院使用計算機(jī)來模擬處于危機(jī)情況的，如無適當(dāng)護(hù)理即會死亡的病人，要求醫(yī)生迅速作出專業(yè)診斷，確定治療方法，以保全病人的生命。

世界上的事物，雖然千姿百態(tài)，但究其本質(zhì)，都有相同的哲理，當(dāng)我們摸清了事物迥異的個性后，就需要開始去尋找它們內(nèi)在的共性，這才是一個明哲、智慧的做法，也是認(rèn)識事物的最好途徑。只有這樣才能掌握大自然的運動規(guī)律，從而站在哲學(xué)的高度，通曉自然科學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域的真諦。列寧曾經(jīng)指出：“歷史有驚人的相似。”萊布尼茨也說過：“自然界都是相似的。”然后又說：“為什么相似，是神定的先定和諧。”針對這句話，列寧正確地指出：“具有深刻的辯證法，雖然有僧侶主義的解釋。”但是我們不妨站在唯物主義者的立場，把神的概念，理解為“大自然的規(guī)律”。

相似就是客觀事物存在的同與變異的辯證統(tǒng)一。在客觀事物發(fā)展過程中，始終存在著同和變異。只有同，才能有所繼承；只有變異，事物才能往前發(fā)展。相似絕非等于相同。

有人說，搞相似性就是只研究共性，不研究個性。這是對相似性的不了解。

下面我們給出模擬的正式概念：

定義1：根據(jù)相似性原理，對實際事件或者過程進(jìn)行再現(xiàn)，稱為模擬。

定義2：在主觀或者客觀需求驅(qū)動下，根據(jù)相似性原理，預(yù)測或者再現(xiàn)事件或者過程，稱為模擬。

定義3：有目的地根據(jù)規(guī)律，研究非現(xiàn)時（跨時空）事件或者過程，稱為模擬。

材料加工的物理模擬就是根據(jù)相似性原理，利用廉價的或易于觀測的實物材料進(jìn)行材料加工過程的再現(xiàn)過程。

早期的材料加工物理模擬有：用常溫鉛模擬鋼的熱成形方法、用賽璐珞模擬鋼熱成形方法、膠泥法、光彈法、光塑法、密柵云紋法等。

現(xiàn)代的材料加工物理模擬主要指采用熱模擬試驗機(jī)進(jìn)行物理模擬。熱模擬試驗機(jī)出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)之后，經(jīng)歷了由自由競爭到壟斷的發(fā)展，目前只剩下為數(shù)不多的幾家企業(yè)在生產(chǎn)，分別是美國DSI公司的電阻加熱Gleeble物理模擬試驗機(jī)和日本富士電波株式會社的高頻感應(yīng)加熱Themorestor-W和高頻感應(yīng)及電阻加熱Themocmastor-Z，還有近年來我國東北大學(xué)研制的電阻加熱MMS熱模擬試驗機(jī)。

熱模擬試驗機(jī)就是提供了高溫環(huán)境的動態(tài)材料試驗機(jī)，它可以動態(tài)地對材料受熱和成形過程全生命周期地進(jìn)行物理模擬。其模擬功能齊全，應(yīng)用廣泛，可以進(jìn)行包括連鑄冶煉工藝、軋制鍛壓工藝、焊接工藝、金屬熱處理工藝和機(jī)械熱疲勞等方面內(nèi)容在內(nèi)的動態(tài)過程模擬試驗，可以測定金屬高溫力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變曲線、金屬熱物性及CCT曲線等。

材料加工的物理模擬是在實驗室里使用真實的材料經(jīng)歷實際制造工藝或最終服役工況來精確地再現(xiàn)其受熱和受力作用的過程。在該模擬過程中使用一個小的真實材料樣品，而該樣品與全尺寸制品在制造工藝或最終服役工況中具有相同或相似的受熱和受力條件。在現(xiàn)代熱模擬試驗機(jī)中模擬的結(jié)果將非常具有實用價值，因此，其實驗室中的模擬結(jié)果可以直接應(yīng)用到全尺寸的生產(chǎn)實踐中。