1.2　材料成形方法及數(shù)值模擬

1.2.1　常用材料成形方法

在現(xiàn)代制造業(yè)中，材料成形是生產(chǎn)各種零件或零件毛坯的主要方法。對金屬材料而言，按原料的形態(tài)其成形過程可分為液態(tài)成形、固態(tài)成形和半固態(tài)成形。

液態(tài)成形方法是將液態(tài)金屬澆注到具有和機(jī)械零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，經(jīng)過凝固、冷卻之后，獲得毛坯或零件的材料成形方法。固態(tài)成形方法主要包括金屬塑性加工、焊接、粉末冶金及切削加工，其中金屬塑性加工又主要包括軋制、擠壓、拉拔、沖壓和鍛造，在現(xiàn)代制造業(yè)中占有重要地位。半固態(tài)成形是指將金屬加熱到半流動狀態(tài)，然后用壓力加工成產(chǎn)品或毛坯件。

塑性加工工藝根據(jù)變形特征的不同又可分為體積成形和板料成形。體積成形是通過金屬材料體積的大量轉(zhuǎn)移來獲得產(chǎn)品，其特點(diǎn)是金屬產(chǎn)生了較大的塑性變形，因此要求材料具有較好的塑性，成形過程通常在加熱狀態(tài)下進(jìn)行，如軋制、擠壓、鍛造等工藝方法。板料成形是利用模具對板料進(jìn)行塑性加工，成形時(shí)金屬材料的塑性變形不是太大，通常材料的剛性平動、轉(zhuǎn)動和變形同時(shí)發(fā)生，如沖壓、旋壓和冷軋等工藝方法。

1.2.2　數(shù)值模擬方法及軟件構(gòu)成

（1）數(shù)值模擬方法

材料成形的工藝方法種類繁多，涉及的物理、化學(xué)和力學(xué)現(xiàn)象十分復(fù)雜，是一個(gè)多學(xué)科交叉、融合的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。材料成形過程的基本規(guī)律可以用一組微分方程及邊值問題來描述，例如材料成形過程中需滿足的流動方程、熱傳導(dǎo)方程、運(yùn)動方程和力平衡方程等，以及還需要滿足的力邊界條件、位移邊界條件或熱傳導(dǎo)邊界條件等。這些微分方程（組）通常稱為控制方程，例如板料在沖壓過程中，變形體需要滿足動力學(xué)平衡方程、力邊界條件及位移邊界條件：

在整個(gè)變形體內(nèi)滿足動力學(xué)平衡方程：

　　 （1-1） 　　

在邊界S_σ滿足力邊界條件：

　　 （1-2） 　　

在邊界S_u滿足位移邊界條件：

　　 （1-3） 　　

對于工程中的絕大多數(shù)問題，微分方程及邊值問題只能采用前面所述數(shù)值分析的方法解決。上述板料沖壓過程中的動力學(xué)方程及邊界條件可以根據(jù)變分法或加權(quán)余量法轉(zhuǎn)化為有限元方程，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)問題的求解。

所以材料的成形過程還未實(shí)際進(jìn)行時(shí)，就可以根據(jù)其工藝方案和成形原理采用數(shù)值分析的方法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬，檢驗(yàn)該方案的可行性，為方案的改進(jìn)和優(yōu)化提供依據(jù)，節(jié)省生產(chǎn)成本。

（2）數(shù)值模擬軟件構(gòu)成

數(shù)值模擬是根據(jù)工程問題的基本規(guī)律（控制方程和邊界條件），利用計(jì)算機(jī)程序求出滿足工程要求的數(shù)值解，數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)的重要成果和推動力之一。其基本特點(diǎn)是：對研究區(qū)域進(jìn)行離散化，使處處滿足控制方程和邊界條件的場變量化為僅在離散點(diǎn)上滿足控制方程和邊界條件導(dǎo)出的代數(shù)方程組，將一個(gè)連續(xù)的、無限自由度問題變成離散的、有限自由度問題。

現(xiàn)代工程學(xué)已經(jīng)發(fā)展了眾多的數(shù)值模擬軟件，數(shù)值模擬軟件通常有前處理、求解器（數(shù)值計(jì)算）、后處理三部分組成。

①前處理　前處理主要完成實(shí)體造型、網(wǎng)格劃分、物性賦值及定義單元類型等。實(shí)體造型是將研究問題直接進(jìn)行幾何造型，或?qū)⑵渌鸆AD軟件完成的幾何造型輸入到CAE軟件中。網(wǎng)格劃分是將連續(xù)的實(shí)體進(jìn)行離散化，形成節(jié)點(diǎn)和單元。物性賦值是將研究問題的各種物理參數(shù)，即問題涉及的各種力學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、液體流動參數(shù)等輸入計(jì)算機(jī)中。定義單元類型就是根據(jù)研究問題的特性將其定義為實(shí)體、板、殼、梁等單元類型。

②求解器　求解器完成的主要功能就是數(shù)值計(jì)算，主要包括施加載荷、設(shè)定時(shí)間步和計(jì)算控制條件、求解計(jì)算等。

③后處理　后處理主要完成計(jì)算結(jié)果的顯示和分析，根據(jù)成形缺陷準(zhǔn)則完成結(jié)果評判，為后續(xù)分析和優(yōu)化提供分析依據(jù)等。