第1章　緒論

1.1　材料加工物理模擬的基本概念和現代意義

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

模擬是工業、科學和教育中的一種研究或教學方法。它可在測驗條件下再現實際事件和過程。模擬方法種類頗多，從用紙筆和木板再現情境，直到用復雜的計算機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行奇異的“仿真實驗室”的實驗或演示。在汽車制造業中，計劃的汽車設計在計算機模擬中來進行模擬風洞試驗，可以把原來用于制造和試驗原型的時間節約幾百小時。壓縮或放大時間或空間是模擬技術節省成本的另一個特點。任何地方發生的事件，其真實時間可能為幾小時直至極長的時間，但在幾分鐘內即可模擬出來。例如，醫學研究人員常常要隔離器官，并且要用人工方法維持其生命，進行培育，注入化學藥物，以等待結果。然而，當一個被選擇的器官的正常機能可被精確地模擬下來時，研究人員在幾分鐘之內即可觀察到范圍廣泛的許多事件對器官機能發生的影響。同樣，天文學家使用計算機模擬銀河系運動，可以演示數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。作為教學方法，模擬可使學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生惡果。這種方法在醫學訓練中十分有用。例如，艾伯塔大學醫學院使用計算機來模擬處于危機情況的，如無適當護理即會死亡的病人，要求醫生迅速作出專業診斷，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，但究其本質，都有相同的哲理，當我們摸清了事物迥異的個性后，就需要開始去尋找它們內在的共性，這才是一個明哲、智慧的做法，也是認識事物的最好途徑。只有這樣才能掌握大自然的運動規律，從而站在哲學的高度，通曉自然科學和社會科學領域的真諦。列寧曾經指出：“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“大自然的規律”。

相似就是客觀事物存在的同與變異的辯證統一。在客觀事物發展過程中，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：根據相似性原理，對實際事件或者過程進行再現，稱為模擬。

定義2：在主觀或者客觀需求驅動下，根據相似性原理，預測或者再現事件或者過程，稱為模擬。

定義3：有目的地根據規律，研究非現時（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相似性原理，利用廉價的或易于觀測的實物材料進行材料加工過程的再現過程。

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。

現代的材料加工物理模擬主要指采用熱模擬試驗機進行物理模擬。熱模擬試驗機出現在第二次世界大戰之后，經歷了由自由競爭到壟斷的發展，目前只剩下為數不多的幾家企業在生產，分別是美國DSI公司的電阻加熱Gleeble物理模擬試驗機和日本富士電波株式會社的高頻感應加熱Themorestor-W和高頻感應及電阻加熱Themocmastor-Z，還有近年來我國東北大學研制的電阻加熱MMS熱模擬試驗機。

熱模擬試驗機就是提供了高溫環境的動態材料試驗機，它可以動態地對材料受熱和成形過程全生命周期地進行物理模擬。其模擬功能齊全，應用廣泛，可以進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械熱疲勞等方面內容在內的動態過程模擬試驗，可以測定金屬高溫力學性能、應力應變曲線、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歷實際制造工藝或最終服役工況來精確地再現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。在現代熱模擬試驗機中模擬的結果將非常具有實用價值，因此，其實驗室中的模擬結果可以直接應用到全尺寸的生產實踐中。