1.2.2　應用現狀

（1）材料液態成形

材料液態成形數值模擬多應用于模擬液態金屬重力鑄造、高/低壓鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、離心鑄造、連續鑄造、半固態鑄造等成形工藝方法中的充型、凝固和冷卻過程，預測鑄造缺陷（例如：縮孔、縮松、裂紋、裹氣、沖砂、冷隔、澆不足），分析液/固（凝固、結晶）和固/固（含熱處理）相變、鑄件組織（相組成物和晶粒形貌及尺寸）、應力和變形以及金屬模具壽命等，為工藝設計、模具設計和過程控制的調整與優化提供定量或半定量依據。

圖1-1是某砂型鑄件的充型過程模擬，根據對液態金屬流動狀況和液面變化的觀察分析，可以了解是否有沖砂、裹氣、充型不足等缺陷產生。

圖1-2是模擬鑄件的冷卻凝固過程。通過觀察，可以了解鑄液的凝固順序，發現縮孔、縮松、冷隔等鑄造缺陷的潛在部位。

圖1-3是過冷度對Al-13Si鑄造合金結晶組織的影響。由圖可見，隨凝固時合金液的過冷度ΔT增加，試樣截面鑄態組織由粗大的柱狀晶轉變成細小的純等軸晶。該模擬結果對于控制鑄件結晶的工藝條件、獲取滿意的微觀組織及使用性能很有幫助。

（2）材料塑性成形

材料塑性成形的工藝方法很多，包括沖壓、擠壓、鍛造、軋制、拉拔等。目前，數值模擬在金屬板料沖壓、金屬塊料鍛造、擠壓和軋制領域的應用較為成功。通過數值仿真實驗，可以直觀展示金屬塑性成形過程中的材料流動、加工硬化、應力應變、回彈變形、動/靜態再結晶、熱處理相變等物理現象，揭示材料內部的微觀組織形貌及其變化，考察對材料成形質量產生影響的溫度、摩擦、模面結構、界面約束、加載速度等工藝條件，預測潛在的材料成形缺陷以及對應的工模具壽命。

圖1-4是利用數值模擬軟件仿真汽車覆蓋件和骨架件的拉深過程（最終結果截圖）。透過對未充分拉深區、起皺區和破裂區的分析，可以判斷制件拉深成形質量，并結合材料成形極限圖（FLD）了解制件內的應變狀況及其分布，預測給定工藝條件（包括模面工藝結構、沖壓速度、壓邊力等）下產生缺陷的趨勢。

圖1-5是對材料沖壓成形件中已產生缺陷的仿真與再現，以便進一步定量分析和揭示產生缺陷的原因。

圖1-6是模擬鋼軌的輥壓成形過程。

圖1-7是十字接頭和傘形齒輪多工步精密模鍛成形的仿真實例。在傘齒輪成形數值模擬實驗中，根據鍛件的軸對稱結構特點，采用了對象簡化分析技術（即先任意截取其中一個齒進行建模和求解，然后再按約束關系將該齒的分析結果移植到整個齒輪），以提高求解計算速度。

（3）材料黏流態成形

材料黏流態成形主要指塑料熔體在黏流狀態下的注射、擠出等成形。目前，材料黏流態成形數值模擬技術普遍應用在塑料注射成形領域，涉及的成形工藝方法有普通流道注射、熱流道注射、氣輔注射、雙料注射、反應注射、微發泡注射和芯片注射封裝等。通過對材料注射成形的數值模擬，了解成形方案、工藝參數、產品形狀、模具結構、澆注系統、冷卻水道等因素對材料成形質量和模具壽命的影響；并且在物理實驗的支撐下，研究新材料（或不同填料成分）的注射成形性能、熔體在模腔中的流動和冷卻規律、塑件分子取向、應力分布、翹曲變形等物理現象及其起因等。

圖1-8是塑料熔體多腔注射的流道平衡分析。根據模擬分析結果，調整和優化各分流道截面尺寸，以確保熔體能夠在同一時間內充滿各個模腔。

圖1-9是某電視機前罩的氣輔注射成形模擬實例，通過觀察分析模擬結果，確認氣道設置是否合理、氣輔參數是否滿足成形質量要求。

（4）材料焊接成形

材料焊接成形是指利用焊接工藝方法將預先制備好的單個零部件或毛坯拼接（焊裝）成產品或半成品（例如：用于鈑金沖壓的拼焊板）的過程。利用數值模擬技術分析焊接熱過程（包括焊接熱源的大小與分布、溫度變化對熱物理性能的影響、焊接熔池中的流體動力與傳熱、傳質等）、焊接冶金過程（包括焊接熔池中的化學反應和氣體吸收、焊縫金屬的結晶、溶質的再分配和顯微偏析、氣孔、夾渣和熱裂紋的形成、熱影響區在焊接熱循環作用下發生的相變和組織性能變化，以及氫擴散和冷裂紋等）、焊接應力應變（包括動態應力應變、殘余應力與殘余變形、拘束度與拘束應力等），以及對焊接結構的完整性進行評定（包括焊接接頭的應力分布、焊接構件的斷裂力學分析、疲勞裂紋的擴展、殘余應力對脆斷的影響、焊縫金屬和熱影響區對焊接構件性能的影響等）。

圖1-10是利用數值模擬技術對某摩托車輪圈焊接過程進行仿真的最終結果（部分截圖）。目的是評價產品的焊接變形、最小化殘余應力，同時了解制件幾何結構、材料特性和工藝參數對焊接質量的影響。

圖1-11（a）是利用焊接方法組裝產品的實例，圖中被裝配的各個零件均屬鈑金成形制品（當然也可是機械加工、鑄造、鍛造等制品）。圖1-11（b）是對圖1-11（a）實例的焊裝應力進行數值模擬的結果，根據該結果可以預測焊接變形和焊接裂紋等缺陷。