材料加工数值模拟
论文
专业：材料加工
姓名：闫禹伯
学号：2013432109
目录
第一章．铸造过程的数值模拟分析
传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。
一．铸造过程数值模拟的发展现状
计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。
铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为
重要的作用。作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。
二．数值模拟在铸造过程中的应用
数值模拟的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充型、凝固过程的计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于20世纪60年代，现已经进入了工程实用化阶段。目前CAE商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。
目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。
（一）充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。
（二）缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用G／L，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。
（三）凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。
对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。近几十年发展起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型
组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。
（四）凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个复杂的过程，比凝固和充型过程模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之一。这些方法虽能在一定程度上比较准确地模拟合金的凝固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。场相法是研究直接微观模拟的热点，主要的模拟模型有三种：MonteCado(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型。现有研究领域中球铁的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路。
三．铸造过程数值模拟在生产中的应用
铸造CAE技术是根据设计出的铸造工艺对铸件进行充型和凝固模拟并将模拟结果进行可视化处理，预测铸件可能产生的缺陷。目前，凝固过程的温度场模拟以及缩孔、缩松预测已经应用于实际的生产当中。在充型、应力分析及微观组织等方面也取得了很大的进展随着铸件结构的日趋复杂化和大型化，对铸件的外在和内在质量要求也越来越高。
铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，已取得了很大的进展，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。大量的商品化软件的出现及其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等；到目前为止，典型的商品化软件有Ansys、LS—DYN3D、Procast、ViewCast等。
铸造过程仿真模拟可以协助铸造工艺师改进工艺设计，提高铸件的质量。长期以来铸造工艺设计师就有一愿望，即在浇注之前能够调试和改进工艺，直到所设计的工艺方法能获得高质量的铸件再进行实际浇注。凝固模拟技术就有可能提
供给铸造工艺设计师这样一个有力的工具，使其可以根据凝固模拟所显示的可能出现的缺陷和位置加以改进直至满意为止。没有凝固模拟这样一个有力的工具，铸造工艺设计师就只能先试浇，浇注完之后根据铸件的具体情况加以改进设计，修改模型。这样，不仅增加了试制费用而且延长了样件试制周期。如果在正常生产线上试制有可能影响正常生产。因此有的铸造厂专设了样件试制部门以保证样件的质量和进度，但除了对正常生产影响小以外，试制费用和样件试制周期无显著改进，而且还增加投资和费用。
铸造过程计算机模拟及优化技术可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场应变能力，是改善企业T(上市时间)、Q(质量)、C(成本)、s(服务)的必要手段，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。
铸造生产出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关，铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形象准确地描述这一复杂的变化过程，显示铸件凝固过程中所发生的温度变化和液固态变化，并预测出可能发生的缩孔、缩松等缺陷。
仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍、增加材料出品率25％、降低工程技术成本13～30、降低人工成本5～20、增加投入设备利用率30～60、缩短产品设计和试制周期3O～60等。
四．铸造过程的计算机模拟
4.1铸件充型模拟
铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷．如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，铸造过程计算机模拟能够较为准确的反映充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免铸造缺陷的形成具有重要的意义。在铸造工艺设计中，我们可以直观地发现一些不合理的设计．并提出工艺改进．使铸件一次浇注成功。
4.2铸件凝固模拟
铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都是在铸件凝固过程中形成，因而．比较精确的再现铸件的凝固过程．对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要。铸造过程仿真模拟能够预测铸件的缩松和缩孔缺陷。
4.3疏松缺陷的预测
Procast采用Niyama判据预测疏松．即疏松形成的条件为M=ArbGcLd当a=1；b=0；c=1；d=-0.5时；M=G／L〈临界值；判据中G为温度梯度，L为冷却速度，此处临界值取1．0，在凝固过程中因枝晶阻碍液体金属的流动而不能有效地补缩，容易产生疏松缺陷。
4.4模拟步骤(基于procast)
1、创建模型：可以分别用IDEAS、UG、Pro/E、PATRAN、ANSYS等作为前处理软件创建模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式的文件。
2、MeshCAST：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。
3、PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.dat文件和xxp.dat文件。
4、DataCAST：检查模型及Precast中对模型的定义是否有错误，输出错误信息，如无错误，将所有模型的信息转化为二进制，生成xx.unf文件。
5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。
6、ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。
7、PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。
第二章．锻压过程的数值模拟
数值模拟技术在金属塑性加工中的作用有两个方面:第一，在工艺设计和模具设计阶段可以对设计进行试运行，并找出设计中的错误，将实际生产中的工艺修定和模具修改降低到最小程度；第二，在产品制作中可以大幅度降低制作成本。数值模拟技术可以将看不见的研究对象进行可视化处理，因此是金属塑性加工设计和研究的有力工具，其作用非常之大。基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势，如适合于各种复杂的边界以及非线性问题等，在塑性加工领域获得了最广泛的应用。其主要目的是用来优化工艺过程、提高质量、缩减产品的研发周期以降低成本及提高生产率。
一．研究背景
锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好的力学性能。随着科技发展, 锻造成形工艺面临着巨大的挑战，各行业对锻件质量和精度的要求越来越高, 生产成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计, 大多仍然采用实验和类比的传统方法, 不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展, 运用有限元法数值模拟进行锻压成形分析, 在尽可能少或无需物理实验的情况下, 得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息, 并据此设计工艺和模具, 已成为一种行之有效的手段。锻造成形大多属于三维非稳态塑性成形, 一般不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理。在成形过程中, 既存在材料非线性, 又有几何非线性, 同时还存在边界条件非线性, 变形机制十分复杂, 并且接触边界和摩擦边界也难以描述。应用刚粘塑性有限元法进行三维单元数值模拟, 是目前国际公认的解决此类问题的最好方法之一。
随着有限元理论的广泛应用和计算机技术的快速发展,运用有限元法数值模拟对锻压成形进行分析, 在尽可能少或无需物理实验的情况下, 得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息, 并据此设计成形工艺和模具, 成为提高金属成形效率和生产率的行之有效的手段。由于锻造成形的制件大多属于三维非
稳态塑性成形过程, 在成形过程中, 既存在材料非线性和几何非线性, 同时还存在边界条件非线性, 接触边界和摩擦边界也难于描述, 因此变形机制十分复杂。应用刚( 粘) 塑性有限元法进行三维单元数值模拟分析是目前公认的解决此类问题的最好方法之一。
数学模型、边界条件等是三维单元数值模拟的关键技术问题, 成为制约模拟结果优劣的决定性因素, 所以研究解决这些关键技术成为数值模拟研究领域的热点课题。经过数十年的发展, 在某些方面形成了一些较成熟的方法, 但有些方面还不完善, 还需要进一步的研究探讨, 寻找更有效的解决措施。首先介绍了刚(粘) 塑性有限元法基本理论基础, 并在此基础上重点总结了锻造成形数值模拟中的关键技术, 通过列举现有应用实例, 对这些关键技术研究的现状及存在问题作了系统深入分析。
二．锻压过程的数值模拟现状
在塑性成形中使用有限元技术进行工艺工程数值模拟已有三十多年的历史。在发展的初期只能实现一些二维的简单模拟，而且耗时长，精度也很不如人意。三维有限元模拟在上世纪九十年代中期才兴起并由于计算机技术及各种有限元求解算法的快速发展而迅速得到广泛应用。各种各样的商业有限元软件的出现使得在金属塑性成形中的工艺设计及优化领域达到一个前所未有的水平，是传统的理论和实验方法所不能取得的。汽车制造领域最能体现有限元模拟技术的发展，在美国，福特公司早于1970年就采用有限元模拟技术；欧洲的一些大牌汽车厂商如奔驰、雷诺、富豪等也在上世纪八十年代开始广泛应用有限元法；随后日本的马自达、丰田、尼桑等公司也开始使用。
当前有限元数值模拟技术的应用范围已由二维扩展到三维，可以进行自适应网格重划，可以分析形状及受力非常复杂的三维几何模型；从原来典型的简单工艺模拟扩展到各种复杂的工艺模拟，可以对工艺参数和几何参数进行优化计算；从宏观分析发展到微观分析，可以预测弹性回复、残余应力、加工硬化，预测工件在变形过程中的微观组织，模拟退火、正火、淬火、回火等热处理过程中的材料组织变化；并且还能分析一些较复杂的耦合问题（如考虑包括塑性变形功和摩
擦功的热效应在内的热力耦合以及考虑变形和相变在内的材料组织性能演化的耦合分析等）。
第三章．焊接数值模拟技术的发展现状
焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法，很难准确解决生产实际问题，而要得到一个高质量的焊接结构，必须要控制这些因素。近20年来，随着计算机技术的飞速发展，国内外研究者开始用计算机对焊接进行数值模拟研究，以此来准确分析焊接中的一些现象。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术有了突破性的发展。
一.焊接接头微观组织的数值模拟
在焊接过程中，快速加热和快速冷却都会使焊接接头的微观组织发生很大的变化，影响焊接接头的性能，而这些又很难用传统的实验法和数学模型来分析。因此，人们开始应用数值模拟技术对焊接接头的微观组织进行数值模拟。
焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等的预测。
目前用于焊接接头微观组织模拟的方法主要有基于概率模型的MonteCarlo(MC)方法、CellularAutomaton(CA)方法及相场法。
1.1MonteCarlo(MC)方法
MC方法的实质就是采用随机抽样的方法来解释物理模型。1983年，Anderson 首先提出了将MC方法应用于晶粒生长后尺寸分布等方面的研究，之后Radhakrishnan和Zacharia提出了修整MC的方法，把时间引入到模拟当中，于是，这种方法开始逐步用于焊接接头的微观组织模拟。
最初的MC方法，只能在等温下模拟晶粒的成长过程。LIMY等人应用二维MC 方法模拟镍板在激光焊过程中所形成的热影响区的组织，发现在加热、冷却过程中，晶粒正常生长机制占很重要的地位。YANGZ等人通过变温条件下的三维MC 方法模拟工业纯钛在焊接过程中的晶粒成长情况时发现，热影响区表面的散热要快很多，导致晶粒从表面到根部逐渐增大。最后将以前的二维模拟进行了修正。
1.2CellularAutomaton(CA)方法
CA法最早是由VonNeumann和Ulam作为一种可能的理想模型而提出的，是物理体的一种理想化，可以说是一种建立模型的基本方法。元胞自动机在刚刚提出的时候并未引起人们的足够重视，直到SWolfram较为详细地给出了元胞自动机的一些数学理论基础，才激发了人们对它的研究。Guillemot将CA模型与有限元(FE)模型结合，建立了一个模拟晶粒生长过程的宏观偏析模型，模拟晶粒在无过冷时的生长情况。在我国，夏维国通过研究二维晶粒的生长动力学曲线，并分析对其生长的影响，利用CA模型模拟了晶粒的成长过程。CA法已经普遍应用于相变微观组织的转变过程中，并得到了很好的效果。
1.3相场法
相场法是近年来比较新的一种模拟方法。研究者可以在支晶尺度上真实地模拟微观组织的形成，并引入了新变量---相场Φ。相场是一个序参量，表示系统在时间和空间上的物理状态。例如Φ=3代表固相区，Φ=6代表液相区，在固液界面上U的值在3~6之间连续变化。DMarcus等人建立了三维相场模型，模拟了定向凝固过程中的晶粒生长等情况。MAZ等人应用相场法模拟发现，在晶粒生长过程中因素对晶体结构变化的影响最为显著。相场理论是建立在统计学基础上的，相场方程的解可以很好地描述金属系统固液界面的各种形态。
二．焊接温度场的数值模拟
焊接过程中会产生温度场，对其数值模拟的研究已广泛应用到焊接领域。焊接构件时会出现很多情况，例如裂纹、凝固等。对不均匀温度场的数值模拟，可以更好地研究其产生的原因及对其他性能的影响。在焊接过程中，焊接热输入和热传导对冶金过程、固态相变、组织性能和应力应变等都有着重要的影响。焊接是一个局部快速加热到高温，随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变潜热的现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，焊接温度场的数学模型基于傅里叶热传导方程。准确模拟焊接温度场的关键在于提供准确的材料属性、热源模型与实际热源的拟合程度、边界条件是否设置恰当以及网格划分等。
2.1模型的建立和方法的实施
首先，建立含有沿焊缝移动电弧热的二维焊接温度场的计算模型，考虑热源的热输入和上下表面的辐射散热，但忽略板边的辐射热损失和边界条件。对TIG 焊，一般都将电弧看成辐射状对称并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面。其次，熔池内流体流动由于增加了热传导速度，对焊接过程的温度场也有着重要的影响。近年来，熔池内流体传热和流动成了研究的热点并取得了很大的进展。
在焊接过程的数值模拟研究中，提出了一系列热源模型，常用的有Rosenthal解析模型、高斯热源模型、半球状热源模型、椭球形热源模型和双椭球形热源模型等。Rosenthal解析模型基于以下假设：热源为点热源、线热源或面热源；材料为固态，无相变发生；材料的热物理性能不随温度变化；焊接构件为无限体或半无限体。这些假设与焊接实际情况有很大出入，因此模拟结果会出现较大偏差。随着对电弧物理的深入研究，焊接热源模型不断得到完善。Eagar 和Tsai提出了将焊接加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述的方法，这种热源分布函数在早期使用有限元方法计算焊接温度场时应用较多，在二维导热方程计算时常将纵向热流忽略。在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源应用模式较准确，但对高能束焊接如激光焊、电子束焊，高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用，在这种情况下，A．Goldak提出更为实际的一种热源模式——半球状热源分布函数。这种分布函数也有一定局限性，因为实践中熔池在激光焊等情况下不是球对称的，为了改进这种模式，A．Goldak 提出了椭球形热源模型。在用椭球形热源分布函数计算时，发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为克服这个缺点，A．Goldak提出了双椭球热源模型，将焊接熔池的前半部分作为一个1／4椭球，后半部分作为一个1／4椭球，焊接不同材质时，也可将双椭球分成4个1／8的椭球瓣。
上述所有热源模型的共同点是忽略在焊接熔池中的复杂过程，特别是熔化和结晶过程中的熔合区移动和借助对流和热辐射的传热；焊接熔池中复杂的热过程用导热连续体中的焊接热源加以近似。对于通常的焊接方法如焊条电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数可以得到较满意的结果。对于电弧冲力效应较大的焊接方法，如等离子焊、熔化极氩弧焊和激光焊接，常采用双椭球形热源分布函数。为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，
焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。对于一些大型实际构件因计算规模和计算量大、收敛困难，导致模拟仿真时出现各种问题。针对这种情况，清华大学的蔡志鹏等人提出了分段移动热源和串热源模型，从而大幅提高了计算效率。
金属材料的物理性能参数如比热容、导热系数、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料物理性能参数的平均值进行计算。但焊接过程中，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件的温度变化十分剧烈，如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，计算结果一定会有很大偏差。所以在焊接温度场和应力场的模拟计算中一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。
用有限元法对所建立的模型进行计算，可分为3步:1.确定材料的热物理参数；2.落实边界条件；3.区域离散化。假定采用的材料是各向同性且均匀的，其热物理参数随温度而变化。为了处理可能比较大的温度梯度，在焊缝及其附近可采用较密的网格。
2.2温度场的计算结果和影响
不同的潜热处理方式对温度场的影响很大。与假定潜热在固液相线间以恒定速率释放的计算结果相比，实测方法计算出的熔池尺寸相对较窄，但对低温处的温度影响不大。熔池内的对流传热加快了传热速度，因此对焊接温度场也有很大的影响。当考虑了熔池内的对流传热影响时，计算出的熔池尺寸及其附近温度场等温线比不考虑时也变宽了，而对远离熔池的温度场影响不大。如果只是焊接线能量相同，焊接参数改变时，等温线的形状和尺寸也会发生很大变化。大电流快速焊情况下焊接熔池及温度场变得很狭窄，反之会很宽。
焊接导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类：给定了边界上的温度值，称为第一类边界条件；给定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件；给定了边界上物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度，称为第三类边界条件。对于无限大的物体，边界条件所产生的影响可以忽略。焊件的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热，其中包括对流换热和辐射换热。在焊接时热能的损失主要是通过辐射换热，而对流换热作用相对较小，温度越高则辐射换热作用越强烈。一般辐射与对流换热计算方式不同，为了计算方便，应考虑总的换热系数。
严格地说，对流换热系数还与焊件的部位有关，因为周围气体流动特性不一样，但要测出不同部位的对流换热系数是很困难的，所以一般不予考虑。此外，与材料的其他物理性能参数一样，换热系数也随温度的变化而变化。在计算时，必须给定随温度变化的表面换热系数值。
在划分网格时，考虑到焊缝处的温度梯度变化较大，一般采用在焊缝及其附近部位加密网格；在远离焊缝的区域，温度分布梯度变化相对较小，划分较为稀疏的网格。总之，在保持精度的同时减少网格的数量，为更好的提高效率和精度，还应进一步优化网格。薛勇、张建勋等在划分网格时采用弹塑性非线性区与线弹性区分开计算的迭代子结构技术，将局部区域的单元凝聚为超单元以便在求解中节省机时。ShiQingyu等开发了动态可逆的自适应网格划分技术，不仅比普通方法节省了1／3的计算时间，而且温度场和变形与实际情况符合，虽然应力分布略有不同，但整体趋势一致。
三.焊接应力-应变的数值模拟
焊接过程温度分布是不平衡的，焊接区周围的材料也会有不同的膨胀率和收缩率，最终形成三维残余应力状态。焊接应力-应变的数值模拟分析，包括动应力-应变过程、焊接残余应力、残余变形和消除应力等，会很好地提高焊接接头的性能。
3.1理论的建立和发展
之前人们通过试验得到了很多与焊接应力-应变有关的经验公式，但那些只能解决一些很简单的问题。随着焊接热力模拟理论、有限元技术和计算机技术的发展，极大地促进了焊接应力-应变数值模拟技术的研究。在一维解析式中，分析了一维条件下焊接过程中的残余应力与应变过程，然后对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的应力变形进行了三维热弹塑性有限元分析，得到了较理想的结果。最后应用二维和三维焊接残余应力与应变进行了预测和测量。最近，ABachorski等人提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测理论，这是一种线弹性有限元模拟技术，现在被用来预测焊接变形。20世纪90年代以来，人们开始用连续统力学的理论研究焊接问题。连续统力学是一套严密而完整的力学体系，它研究整个系统的平衡状态，考虑物质的各种形态，主要包括质量与动量守恒定
律以及材料的本构关系。通过计算，连续统力学可以直接解决一些线性、对称和确定的问题。
3.2焊接力学模型
在焊接熔池中，材料经历了快速加热、凝固和快速冷却过程。通过对一个简单的一维问题的分析，就可以表明材料应力-应变的演化过程。假设在加热和冷却的过程中，温度都是线性变化，那么可以计算相应热应力的变化过程。冷却时，塑性应变可以通过从总的热应变中减去弹性应变而得到。计算效率是焊接力学模拟中的关键，人们在这一领域进行了许多研究，提出了很多方法。蔡志鹏等人通过分析焊接热源的特征，在高斯热源的基础上，根据输入热功率相当提出了段热源模型，并进一步提出了更为实用的串热源模型，对其进行了比较分析，得到了非常相似的结果，这是在研究中比较灵活、方便的焊接模拟。
焊接变形的预测方面以热弹塑性有限元法和固有应变法应用最为广泛。此外，还有线弹性体积收缩法、相似理论、人工神经网络等焊接变形预测的方法与理论。线弹性体积收缩法将复杂的非线性和弹塑性变形转化为线弹性变形，假定线性热膨胀是变形的主要驱动力，可以精确地预测大型复杂焊接结构的变形问题，其精确性依赖于焊缝处收缩体积的计算精度。对于坡口角度小于50°的焊接结构则存在较大误差，另外该法也不适用于预测焊接残余应力。运用相似理论可以将模型试验和数值模拟方法结合起来，按照相似关系对焊接构件进行一定转换，减小复杂性后再进行数值计算，也可以减少运算量。在实际生产中，受焊接条件的限制，模型与实物间的相似准则很难同时满足，而且对二者之间的对应关系还缺乏足够研究，因此应用受到限制。
20世纪90年代以来，人们开始用连续统力学的理论研究焊接问题。连续统力学是一套严密而完整的力学体系，它研究整个系统的平衡状态，考虑物质的各种形态，主要包括质量与动量守恒定律以及材料的本构关系。通过计算，连续统力学可以直接解决一些线性、对称和确定的问题。
四.焊接接头氢扩散的数值模拟
由于焊接氢的存在，在焊接接头中很容易产生裂纹，而且直接影响焊接质量。裂纹产生的原因主要有两方面:一方面是焊接接头处的焊接残余应力，另一方面
是由于氢扩散进入金属后，不仅降低材料的力学性能，而且产生一个附加应力，与焊接残余应力叠加，共同促进局部的塑性变形，导致裂纹的萌生与开裂。目前数值模拟技术已经广泛应用于焊接氢扩散的研究当中。根据经验，当下述4种条件同时存在时，焊接氢致裂纹将可能发生:1.扩散氢含量达到临界浓度；2.足够大的应力；3.对氢敏感的组织结构；4.温度低于200℃。
4.1氢扩散的基本理论
扩散相在扩散中满足质量守恒定律，根据质量守恒列出方程，再引入活度变量，经过推导变换可得到物质扩散的主导方程。由于在不均匀介质中，扩散的驱动力是扩散相的化学势梯度，所以氢在不均质焊接接头中的扩散也遵循同样的规律，即氢的扩散受氢的化学势梯度驱动，最终通过变换便可以获得氢扩散本构方程。
4.2氢扩散数值模拟的应用
作为焊接氢致裂纹最重要的影响因素，关于氢扩散的计算可分为在均匀介质中和非均匀介质中两种情况。李亚江等人用有限元法对HQ130高强度钢焊接区扩散氢分布进行了模拟计算，分析了扩散氢对焊接裂纹的影响，编制了焊接区氢扩散的有限元程序。该程序考虑了焊接线能量、温度、氢的表面逸出系数等对氢扩散分布的影响，分析出氢在焊缝根部熔合区附近聚集是该区域产生裂纹的重要原因。巩建鸣等人利用有限元软件ABAQUS，对16MnR钢焊接接头氢扩散进行了数值模拟，并考虑焊接残余应力和不同组织对氢扩散的影响，得到了焊接接头扩散氢浓度随时间的分布，并对结果进行了分析。张显辉等人对氢在不均质焊接接头中的扩散进行了数值模拟计算，得到了随时间延迟焊缝金属中氢的浓度逐渐降低，而熔合区以外区域氢浓度经历了一个峰值变化的结论。该结论可用于指导焊接热过程中的工艺制定。
各种材料及其加工工艺详解 1. 表面立体印刷（水转印）水转印——是利用水的压力和活化剂使水转印载体薄膜上的剥离层溶解转移，基本流程为： a. 膜的印刷：在高分子薄膜上印上各种不同图案； b. 喷底漆：许多材质必须涂上一层附着剂，如金属、陶瓷等，若要转印不同的图案，必须使用不同的底色，如木纹基本使用棕色、咖啡色、土黄色等，石纹基本使用白色等； c. 膜的延展：让膜在水面上平放，并待膜伸展平整； d. 活化：以特殊溶剂(活化剂)使转印膜的图案活化成油墨状态； e. 转印：利用水压将经活化后的图案印于被印物上； f. 水洗：将被印工件残留的杂质用水洗净； g. 烘干：将被印工件烘干，温度要视素材的素性与熔点而定； h. 喷面漆：喷上透明保护漆保护被印物体表面； i. 烘干：将喷完面漆的物体表面干燥。水转印技术有两类，一种是水标转印技术，另一种是水披覆转印技术，前者主要完成文字和写真图案的转印，后者则倾向于在整个产品表面进行完整转印。披覆转印技术(CubicTransfer)使用一种容易溶解于水中的水性薄膜来承载图文。由于水披覆薄膜张力极佳，很容易缠绕于产品表面形成图文层，产品表面就像喷漆一样得到截然不同的外观。披覆转印技术可将彩色图纹披覆在任何形状之工件上，为生产商解决立体产品印刷的问题。曲面披
覆亦能在产品表面加上不同纹路，如皮纹、木纹、翡翠纹及云石纹等，同时亦可避免一般板面印花中常现的虚位。且在印刷流程中，由于产品表面不需与印刷膜接触，可避免损害产品表面及其完整性。 2. 金属拉丝直纹拉丝是指在铝板表面用机械磨擦的方法加工出直线纹路。它具有刷除铝板表面划痕和装饰铝板表面的双重作用。直纹拉丝有连续丝纹和断续丝纹两种。连续丝纹可用百洁布或不锈钢刷通过对铝板表面进行连续水平直线磨擦（如在有装置的条件下手工技磨或用刨床夹住钢丝刷在铝板上磨刷）获取。改变不锈钢刷的钢丝直径，可获得不同粗细的纹路。断续丝纹一般在刷光机或擦纹机上加工制得。制取原理：采用两组同向旋转的差动轮，上组为快速旋转的磨辊，下组为慢速转动的胶辊，铝或铝合金板从两组辊轮中经过，被刷出细腻的断续直纹。乱纹拉丝是在高速运转的铜丝刷下，使铝板前后左右移动磨擦所获得的一种无规则、无明显纹路的亚光丝纹。这种加工，对铝或铝合金板的表面要求较高。波纹一般在刷光机或擦纹机上制取。利用上组磨辊的轴向运动，在铝或铝合金板表面磨刷，得出波浪式纹路。旋纹也称旋光，是采用圆柱状毛毡或研石尼龙轮装在钻床上，用煤油调和抛光油膏，对铝或铝合金板表面进行旋转抛磨所获取的一种丝纹。它多用于圆形标牌和小型装饰性表盘的装饰性加工。 螺纹是用一台在轴上装有圆形毛毡的小电机，将其固定在桌
《土木工程测量》习题与答案 作业一绪论 一、思考题 (1)进行测量工作应遵守什么原则？为什么？ 答：①“整体到局部”、“先控制后碎部”。因为这样可以减少误差积累，保证测图和放样的精度，而且可以分副测绘，加快测图速度。 ②“前一步测量工作没作检核不能进行下一步测量工作”，它可以防止错漏发生，保证测量成果的正确性。 (2)地面点的位置用哪几个元素来确定？ 答：水平距离、水平角、高程。 (3)简述测量学任务？ 答：测定与测设、变形观测。 测定是指使用测量仪器和工具，把地球表面的地形缩绘成地形图。 测设是指把图纸上规划设计好的建筑物的位置在地面上标定出来，为施工提供依据。 二、课后练习 (1) 解释下列名词。 地物：地面上的道路、河流、房屋等称为地物。 地貌：呈现的各种起伏态称为地貌。 地形：地物和地貌总称为地形。 高程：地面上的点到大地水准面的垂直距离称为绝对高程。 大地水准面：与平均海平面吻合，并向大陆岛屿内延伸而形成闭合曲面的水平面称大地水准面，它是测量工作的基准面。 (2) 在多大范围内，可以不考虑地球曲率对水平距离的影响，可以用水平面代替水准面？而为什么在高程测量中必须考虑地球曲率的影响？ 答：地球曲率对水平距离的影响可用公式△D/D=D2/3R2计算相对误差。当距离D为10km时，相对误差为1/120万，小于目前最精密距离丈量允许误差1/100万。地球曲率对高程的影响可用公式△H= D2/2R来计算，据此式，就高程测量而言，即使距离很短，影响也很大，如当距离为100m时，在高程方面误差就接近1mm，所以应考虑其影响。 作业二水准仪及水准测量 一、思考题 (1)水准测量的原理是什么？计算高程的方法有哪几种？ 答：水准测量是利用水准仪提供的水平视线，并借助水准尺来测定地面上两点间的高差，然后推算高程的一种方法。 计算高程的方法有两种，一种是由高差计算高程，一种是由视线高程计算高程。 (2)水准仪由哪几部分组成？各部分的作用是什么？
注：表中粉色为需要填写的答案 《土木工程测量》第1章作业 1-2 什么是测量工作的基准面和基准线？ 解：测量工作的基准面是水准面；基准线是铅垂线。 1-3 什么是绝对高程？什么是相对高程？ 解：绝对高程：地面点沿铅垂线到大地水准面的距离；相对高程：地面点到假定水准面的铅垂距离。 1-5 已知某地大地坐标为（106°12′，38°32′）。计算：①该地在高斯投影3°带的带号及其中央子午线经度；②该地在高斯投影6°带的带号及其中央子午线经度。 解：①3°带带号：n=int((L-1.5°)/3°)+1= int((106°12′-1.5°)/3°)+1=35，35号3°带中央子午线经度：L’ =3°*n=3°*35=105°； ②6°带带号：N=int(L/6°)+1= int(106°12′/6°)+1=18； 18号6°带中央子午线经度：L =6°*N-3°=6°*18-3°=105°。 1-6 已知控制点BM30的大地坐标为（106°49′27″，39°04′58″），其高斯投影3°带内计算的平面坐标自然值是（4328363.369m，－101752.428m）。计算BM30的坐标通用值。 解：通用坐标值是在Y坐标自然值上+500km，并且在其前冠以投影带带号。因此，先计算BM30所在高斯投影3°带的带号： 3°带带号：n=int((L-1.5°)/3°)+1= int((106°50′-1.5°)/3°)+1=36， Y坐标自然值+500km=-101752.428m+500000m=398247.572m。 所以，BM30的通用坐标为（4328363.369m，36 398247.572m） 1-7 测量工作应遵循的基本原则是什么？ 解：测量工作应遵循“从整体到局部”、“先控制后碎步”、“先高级后低级”、“步步有检核”的基本原则。 《土木工程测量》第2章作业 2-1 设A为后视点，B为前视点，已知点A的高程H A =233.128m，后视读数a为1.547m，前 视读数b为0.874m，试计算AB的高差h AB 和点B的高程H B 。 解：h AB =后视读数-前视读数=1.547m-0.874m=0.673m； H B =H A +h AB =233.128m+0.673m=233.801m。 2-4 计算表2-6中水准测量的高差及高程。
《材料加工数值模拟技术》 期末综述报告 题目：扭压复合加载之DEFORM模拟 学院：学号：姓名：指导老师：机械工程及自动化学院SY1107110 许亿 张彦华教授 2012 年6月
1 绪论 1.1课题的背景[1] 锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好力学性能。随着科技发展，锻造成形工艺面临着巨大的挑战：各行业对锻件质量和精度的要求越来越高，成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计，大多仍然采用实验和类比的传统方法，不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算技术的飞速发展，运用有限元数值模拟进行锻压成形分析，在尽可能减少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息，并据此设计工艺和模具，已经成为一种行之有效的手段。 锻造成形大多属于三维非稳态塑性成形，一般不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理。在成形过程中，即存在材料非线性，又有几何非线性，同时还存在边界条件非线性，变形机制十分复杂，并且接触边界和摩擦边界也难以描述。应用刚(粘)塑性有限元法进行三维单元数值模拟，是目前国际公认的解决此类问题的最好方法之一。本文针对镦粗这一锻造中常用的加工方式，采用DEFORM数值模拟软件对其进行模拟，从而显现出数值模拟技术 的巨大优势。 2镦粗工艺的概述 2.1 镦粗的定义 自由锻是锻造常用的加工方法，自由锻造是利用冲击力或压力使金属在上下砧面间各个方向自由变形，不受任何限制而获得所需形状及尺寸和一定机械性能的锻件的一种加工方法，而镦粗是自由锻的一种常用加工方式，既使毛坯高度减小而横截面增大的成形工序，它可以用于以下几个方面： 1.由横截面积较小的坯料得到横截面较大而高度较小的锻件。 2.冲孔前增大坯料横截面和平整坯料端面。 3.提高下一步拔长时的锻造比。
设计材料及加工工艺
材料与工艺 NO.1 1、什么是材料的固有特性？包括那些方面？ 1）、材料的固有特性是由材料本身的组成、结构所决定的，是指材料在使用条件下表现出来的性能，它受外界（即使用条件)的制约。 2）、包括两个方面： a、材料的物理性能：1、材料的密度 2、力学性能（强度、弹性、和塑性、脆性和韧性、刚度、 硬度、耐磨度） 3、热性能（导热性、耐热性、热胀性、耐火性） 4、电性能（导电性、电绝缘性） 5、磁性能 6、光性能 b、材料的化学性能：1、耐腐蚀性 2、抗氧化性 3、耐候性 2、什么是材料的派生性能？包括哪些内容？ 1）、它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和环境特性。 2）、材料的派生特性包括材料的加工特性、材料的感觉特性、环境特性和环境的经济性。 3、工业造型材料应具备哪些特征？ 产品是由一定的材料经过一定的加工工艺而构成的，一件完美的产品必须是功能、形态和材料三要素的和谐统一，是在综合考虑材料、结构、生产工艺等物质技术条件和满足使用功能的前提下，将现代社会可能提供的新材料，新技术创造性的加以利用，使之满足人类日益增长的物质和精神需求。 4、简述材料设计的内容？ 产品材料中的材料设计，是以包含“物-人-环境”的材料系统为对象，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废气处理和环境保护看成一个整体，着重研究材料与人、社会、环境的协调关系，对材料的工学性、社会性、历史性、生理性和心理性、环境性等问题进行平衡和把握，积极评价各钟材料在设计中的使用价值和审美价值，使材料特性与产品的物理功能和心理功能达到高度的和谐统一。使材料具有开发新产品和新功能的特性，从各种材料的质感去获取最完美的结合和表现，给人以自然、丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。 5、材料设计方式有几种？各有什么特征？ 1）、产品材料造型设计其出发点在于原材料所具有的特性与产品所需性能之间的充分比较。 其主要方式有两种： 一是从产品的功能、用途出发、思考如何选择或研制相应的材料 二是从原材料出发，思考如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创
金属加工工艺 第一篇变形加工第二篇切削加工第三篇磨削加工第四篇焊接第五篇热处理第六篇表面处理 第一篇变形加工 一、塑性成型 二、固体成型 三、压力加工 四、粉末冶金 一、塑性成型加工 塑性(成型) 塑性(成型)加工是指高温加热下利用模具使金属在应力下塑性变形。 分类： 锻造： 锻造：在冷加工或者高温作业的条件下用捶打和挤压的方式给金属造型，是最简单最古老的金属造型工方式给金属造型，艺之一。艺之一。 扎制： 扎制：高温金属坯段经过了若干连续的圆柱型辊子，高温金属坯段经过了若干连续的圆柱型辊子，辊子将金属扎入型模中以获得预设的造型。 挤压：用于连续加工的，具有相同横截面形状的实心或者空心金属造型的工艺，状的实心或者空心金属造型的工艺，既可以高温作业又可
以进行冷加工。 冲击挤压：用于加工没有烟囱锥度要求的小型到中型规格的零件的工艺。生产快捷，可以加工各种壁厚的零件，加工成本低。 拉制钢丝： 拉制钢丝：利用一系列规格逐渐变小的拉丝模将金属条拉制成细丝状的工艺。 二、固体成型加工 固体成型加工：是指所使用的原料是一些在常温条件下可以进行造型的金属条、片以及其他固体形态。加工成本投入可以相对低廉一些。 固体成型加工分类：旋压：一种非常常见的用于生产圆形对称部件的加工方法。加工时，将高速旋转的金属板推近同样高速旋转的，固定的车床上的模型，以获得预先设定好的造型。该工艺适合各种批量形式的生产。弯曲：一种用于加工任何形式的片状，杆状以及管状材料的经济型生产工艺。 冲压成型： 金属片置于阳模与阴模之间经过压制成型，用于加工中空造型，深度可深可浅。 冲孔： 利用特殊工具在金属片上冲剪出一定造型的工艺，小批量生产都可以适用。冲切：与冲孔工艺基本类似，不同之处在于前者利用冲下部分，而后者利用冲切之后金属片剩余部分。 切屑成型：当对金属进行切割的时候有切屑生产的切割方式统称为切屑
1.液态浇铸成形加工（铸造）、塑性变形加工、连接加工、粉体加工、 热处理改性、表面加工，在加工制造过程中，不仅材料的外部形状和表面状态发生改变，而且材料的内部组织和性能也发生巨大变化。——因为这类加工制造一般都需要将材料加热到一定的温度下才能进行，因而通常称又这类加工制造方法为热加工 2.另一类加工制造方法，如传统的车、铣、镗、刨、磨等切削加工， 以及直接利用电能、化学能、声能、光能等进行的特殊加工，如电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工等，在加工制造过程中通过去除一部分材料来使材料成形。——加工制造的目的主要是赋予材料一定的形状、尺寸和表面状态，尤其是尺寸精度和表面光洁度，而一般不改变材料的内部组织与性能——这类加工称为切削加工或去除加工——由于这种加工一般在常温下甚至往往是强制冷却到常温下进行，所以习惯上称为冷加工 3.不同的材料需要不同的适宜加工方法，同样的材料制造不同的工 件也要采用不同的加工方法。 4.铸造成形加工方法不仅可以通过合金成分的选择、熔体的改性处 理和铸造方法以及工艺的优化来改进铸件的性能，还是新材料开发的重要手段。 5.材料塑性成形是利用材料的塑性，在外力作用下使材料发生塑性 变形，从而获得所需形状和性能的产品的一种加工方法。 6.塑性变形还是消除内部气孔、裂纹等缺陷，改善组织结构，提高 材料性能的重要手段。要求高性能、高可靠性的零件往往要求采
用塑性成形加工。 7.金属的连接可以采用机械的方法、化学粘结的方法和焊接方法。 ——焊接是采用适当的手段使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合而连接在一起的加工方法。 8.分析各种加工方法的本质就会发现，所有加工方法均是成形与控 性的结合。
复习题(以下问题用中英文回答均可) 1.简述“材料”、“材料加工”、“材料加工数值模拟”三个概念的含义，并分别 举例说明。 材料:材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质 材料加工：采用铸造、锻压等方法将金属原材料加工成所需的形状尺寸，并达到一定的组织性能要求，又称为材料成型。 材料加工数值模拟：数值模拟即是通过数值计算得到用微分方程边值问题来描述的具体材料成型问题中工件和模具的温度场、速度场、应力场等，据此预测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷；同时利用计算机图形技术将分析结果直观、动态地呈现出来，使研究设计人员能通过这一虚拟的材料加工过程检验工件的最终形状、尺寸、性能等是否符合设计要求。 2.简要说明材料加工数值模拟的发展趋势。 (1)研究对象尺度微观化 (2)模拟功能集成化（数值模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变 场、组织场模拟普遍进入到耦合集成阶段） (3)模拟目的专门化（从共性、通用到专用特性） (4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 （5）重视物理模拟与精确测试技术 （6）在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分 （7）以商业软件为基础，改进提高研究与普及应用相结合 3.定义或描述热传输的三种基本形式，并举出实例。 (1)导热：热传导是由于温度不同，在导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。温差越大，自由电子的移动越激烈。 (2)对流：热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。它是利用不同温度的质点密度不同来传热，在流体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来补充，这样一个周而复始的过程，即所谓对流。（3）辐射：热辐射是物体受热后，内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。举例：凝固前后，高温金属----型砂空隙和大气，辐射传热； 浇注时及凝固前，液体金属内部、铸型----大气，对流传热； 凝固前后，金属内部、高温金属----铸型、铸型材料内部，传导传热。 （生活中有很多例子，可以多想几个O(∩_∩)O） 4.写出傅立叶热传导定律的数学表达式，写出对流换热基本公式、辐射换热基 本公式，并解释说明公式中符号所代表的物理量。 傅利叶热传导定律（单向稳态方程）：q = ?k （dT/dx） k-导热系数，thermal conductivity，单位：W/mK； q-热流密度或热通量，heat flux，单位：W/m2； dT/dx-温度梯度，temperature gradient，单位：K/m; 对流计算基本公式（牛顿定律）：
习题1 1．什么叫大地水准面?它有什么特点和作用? 2．什么叫绝对高程、相对高程及高差? 3．测量上的平面直角坐标系和数学上的平面直角坐标系有什么区别? 4．什么叫高斯投影？高斯平面直角坐标系是怎样建立的? 5．已知某点位于高斯投影6°带第20号带，若该点在该投影带高斯平面直角坐标系中的横坐标＝-306579.210m，写出该点不包含负值且含有带号的横坐标及该带的中央子午线经度。 6．什么叫直线定线？标准方向有几种？什么是坐标方位角？ 7．某宾馆首层室内地面±0.000的绝对高程为45.300m，室外地面设计高程为-l.500m，女儿墙设计高程为+88.200m，问室外地面和女儿墙的绝对高程分别为多少? 8．已知地面上A点的磁偏角为-3°10′，子午线收敛角为+1°05′，由罗盘仪测得直线AB 的磁方位角为为63°45′，试求直线AB的坐标方位角 ? 并绘出关系略图。 答案： 1．通过平均海水面的一个水准面，称大地水准面，它的特点是水准面上任意一点铅垂线都垂直于该点的曲面，是一个重力曲面，其作用是测量工作的基准面。 2．地面点到大地水准面的垂直距离，称为该点的绝对高程。地面点到假设水准面的垂直距离，称为该点的相对高程。两点高程之差称为高差。 3．测量坐标系的X轴是南北方向，X轴朝北，Y轴是东西方向，Y轴朝东，另外测量坐标系中的四个象限按顺时针编排，这些正好与数学坐标系相反。 4、假想将一个横椭圆柱体套在椭球外，使横椭圆柱的轴心通过椭球中心，并与椭球面上某投影带的中央子午线相切，将中央子午线附近（即东西边缘子午线范围）椭球面上的点投影到横椭圆柱面上，然后顺着过南北极母线将椭圆柱面展开为平面，这个平面称为高斯投影平面。所以该投影是正形投影。在高斯投影平面上，中央子午线投影后为X轴，赤道投影为Y轴，两轴交点为坐标原点，构成分带的独立的高斯平面直角坐标系统。 5．Y=20000000+(-306579.210m+500000m)=20193420.790。 6．确定直线与标准方向的关系（用方位角描述）称为直线定向。标准方向有真子午线方向、磁子午线方向、坐标纵轴（X轴）方向。由坐标纵轴方向（X轴）的北端，顺时针量至直线的角度，称为直线坐标方位角 7．室内地面绝对高程为：43.80m.女儿墙绝对高程为：133.50m。 8． 习题2 1．用水准仪测定、两点间高差，已知点高程为 =12.658m，尺上读数为1526mm，尺上读数为1182mm，求、两点间高差为多少？点高程为多少？绘图说明。 2．何谓水准管轴？何谓圆水准轴？何谓水准管分划值？ 3．何谓视准轴？视准轴与视线有何关系？ 4．何谓视差？产生视差的原因是什么？视差应如何消除？ 5．水准测量中为什么要求前后视距相等？ 6．水准测量中设置转点有何作用？在转点立尺时为什么要放置尺垫？何点不能放置尺垫？7．S3型水准仪有哪几条主要轴线？它们之间应满足哪些几何条件？为什么？哪个是主要条件？
钢铁材料的加工过程 埃菲尔铁塔的浪漫美、鸟巢的自然美无不显示出钢铁材料在现实生活中的巨大作用。钢铁材料是人类经济建设和日常生活中所使用的罪重要的结构材料和产量最大的材料，是人类社会进步所依赖的重要物质基础。钢铁工业是为机械制造和金属加工、颜料动力、化学工业、建筑业、宇航与军工，以及交通运输业、农业等部门提供原材料和钢铁产品的重要基础工业。在世界上，不论是发达国家还是发展中国家，都非常重视发展钢铁工业，因为它是国家工业化的支柱。没有强大的钢铁工业，要实现工业化的社会是困难的。因此在一个相当长的历史时期，钢铁工业发展程度如何，是衡量一个国家工业化水平高低的重要标志之一。总之，钢铁材料是人类社会的基础材料，是社会文明的标志。那么，钢铁材料是如何从矿石加工成产品的呢？ 大多数钢铁材料的加工过程可分为五个步骤：矿石的冶金、熔炼、铸造、锻造或者轧制、热处理。 首先是矿石的冶金，选矿是冶炼前的准备工作，从矿山开采下来矿石以后，首先需要将含铁、铜、铝、锰等金属元素高的矿石甄选出来，为下一步的冶炼活动做准备。选矿一般分为破碎、磨矿、选别三部分。为了保证供给高炉的铁矿石中铁含量均匀，并且保证高炉的透气性，需要把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料。铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。高炉生产前的准备除了准备铁矿石（烧结矿和球团矿）外，还需要准备好必需的燃料--焦炭。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。高炉生产是连续进行的。转炉炼
复习题(以下问题用中英文回答均可) 1.简述“材料”、“材料加工”、“材料加工数值模拟”三个概念的含义，并分别举例说明。 材料:材料是人类用于制造、器件、构件、机器或其他产品的那些物质 材料加工：采用铸造、锻压等方法将金属原材料加工成所需的形状尺寸，并达到一定的组织性能要求，又称为材料成型。 材料加工数值模拟：数值模拟即是通过数值计算得到用微分方程边值问题来描述的具体 材料成型问题中工件和模具的温度场、速度场、应力场等，据此预测工件中组织性能的变化以及可能出现的缺陷；同时利用计算机图形技术将分析结果直观、动态地呈现出来，使研究设计人员能通过这一虚拟的材料加工过程检验工件的最终形状、尺寸、性能等是否符合设计要求。 2.简要说明材料加工数值模拟的发展趋势。 (1)研究对象尺度微观化 (2)模拟功能集成化（数值模拟功能已由单一的温度场、流场、应力/应变场、组织 场模拟普遍进入到耦合集成阶段） (3)模拟目的专门化（从共性、通用到专用特性） (4)重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 （5）重视物理模拟与精确测试技术 （6）在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分 （7）以商业软件为基础，改进提高研究与普及应用相结合 3.定义或描述热传输的三种基本形式，并举出实例。 (1)导热：热传导是由于温度不同，在导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。温差越大，自由电子的移动越激烈。 (2)对流：热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。它是利用不同温度的质点密度不同来传热，在流体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来补充，这样一个周而复始的过程，即所谓对流。 （3）辐射：热辐射是物体受热后，内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。 举例：凝固前后，高温金属----型砂空隙和大气，辐射传热； 浇注时及凝固前，液体金属内部、铸型----大气，对流传热； 凝固前后，金属内部、高温金属----铸型、铸型材料内部，传导传热。（生活 中有很多例子，可以多想几个O(∩_∩)O） 4.写出傅立叶热传导定律的数学表达式，写出对流换热基本公式、辐射换热基本公式， 并解释说明公式中符号所代表的物理量。 傅利叶热传导定律（单向稳态方程）：q = k （dT/dx） k-导热系数，thermal conductivity，单位：W/mK； q-热流密度或热通量，heat flux，单位：W/m2； dT/dx-温度梯度，temperature gradient，单位：K/m;
材料加工数值模拟 论文 专业：材料加工 姓名：闫禹伯 学号：2013432109
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第一章．铸造过程的数值模拟分析 传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。 一．铸造过程数值模拟的发展现状 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。 铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为
1、金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。 2、金属材料的使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括机械性 能、物理性能和化学性能等。 3、金属材料的工艺性能是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性 能、压力加工性能、焊接性能和切削加工性能等。 4、根据载荷作用性质不同，载荷可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等 三种。 5、材料按照其化学组成可以分为金属材料、非金属材料、复合材料和有机材料四类。 6、材料基本性能包括固有特性和派生特性。 7、材料的工艺性能包括切削加工工艺性能、铸造工艺性能、锻造工艺性能、焊接工艺性能、热处理工艺性能等。 8、工业产品造型材料应具备的特殊性能包括感觉物性、加工成型性、表面工艺性和环境耐候性。 9、钢铁材料按化学组成分为钢材、纯铁和铸铁；其中钢材按化学组成分为碳素钢和合金钢。 10．铸铁材料按照石墨的形态可分为可锻铸铁、灰口铸铁和球墨铸铁三种。 11、变形铝合金主要包括锻铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和防锈铝合金。 12、金属制品的常用铸造工艺包括砂型铸造、熔模铸造和金属型铸造等。 13、金属材料的表面处理技术包括表面改质处理、表面精整加工和表面被覆处理。 14、塑料按照其重复加工利用性能可以分为热塑性塑料和热固性塑料。 15、塑料制品的成型工艺主要包括吹塑成型、挤塑成型、吸塑成型、注塑成型等。 16、陶瓷材料根据其原料、工艺和用途，可以分为传统陶瓷和近代陶瓷两 大类。 17、陶瓷制品的工艺过程一般包括原配料、坯料成型和窑炉烧结三个主 要工序。 18、陶瓷制品的坯体成型方法主要有压制成型、可塑成型和注浆成型三种。
19、陶瓷制品的旋压成型可以分为覆旋旋压法和仰旋旋压法两种。 20、日用陶瓷制品可以分为陶器、瓷器和炻器。其中陶器的气孔率和吸水率介于炻器和瓷器之间。 21、玻璃按用途可分为日用器皿玻璃、技术用玻璃、建筑用玻璃、和玻璃纤维四大类。 22、玻璃的加工工艺包括原料装配、加热熔融、成型加工、热处理和表面装饰。 23、玻璃成型工艺包括压制、拉制、吹制、压延、浇注和结烧等。 24、锻造是利用手锤锻锤或压力设备上的模具对加热的金属抷料施力，使金属材料在不分离条件下产生变形，以获得形状尺寸和性能符合要求的零件。 25、金属焊接按其过程特点可分为3大类：熔焊、压焊、钎焊 26、金属切削加工可分为钳工和机械加工两部分。 27、木材与其他材料相比，具有多孔性、各向异性、湿涨干缩性、燃烧性和生物降解性等独特性质。 28、木材在横切面上硬度大，耐磨损，但易折断，难刨削，加工后不易获得光洁表面。 29、塑料的基本性能：质轻比强度高，优异的电绝缘性能，减摩耐磨性能好，优良的化学性能，透光及防护性能，减震消音性能好，独特的造型工艺性能，良好的质感和光泽度。 30、塑料的挤出成型也称挤压模塑和挤塑，它是在挤出机中通过加热，加压而使物料以流动状态连续通过挤出模成型的方法。 31、按照陶瓷材料的性能功用可分为普通陶瓷和特种陶瓷两种。 32、玻璃的熔制过程分为：硅酸盐的形成，玻璃的形成，澄清和均化，冷却。 33、金属材料的表面处理技术包括表面改质处理、表面精整加工和表面被覆处理。 34、金属件的连接工艺可以分为机械性连接、金属性连接和化学性连接三种类型。 35、涂料由主要成膜物质、次要成膜物质和辅助材料三部分组成。
《土木工程测量》习题与答 案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-
《土木工程测量》习题与答案 作业一绪论 一、思考题 (1)进行测量工作应遵守什么原则为什么 答：①“整体到局部”、“先控制后碎部”。因为这样可以减少误差积累，保证测图和放样的精度，而且可以分副测绘，加快测图速度。 ②“前一步测量工作没作检核不能进行下一步测量工作”，它可以防止错漏发生，保证测量成果的正确性。 (2)地面点的位置用哪几个元素来确定 答：水平距离、水平角、高程。 (3)简述测量学任务 答：测定与测设、变形观测。 测定是指使用测量仪器和工具，把地球表面的地形缩绘成地形图。 测设是指把图纸上规划设计好的建筑物的位置在地面上标定出来，为施工提供依据。 二、课后练习 (1) 解释下列名词。 地物：地面上的道路、河流、房屋等称为地物。 地貌：呈现的各种起伏态称为地貌。 地形：地物和地貌总称为地形。 高程：地面上的点到大地水准面的垂直距离称为绝对高程。 大地水准面：与平均海平面吻合，并向大陆岛屿内延伸而形成闭合曲面的水平面称大地水准面，它是测量工作的基准面。 (2) 在多大范围内，可以不考虑地球曲率对水平距离的影响，可以用水平面代替水准面而为什么在高程测量中必须考虑地球曲率的影响 答：地球曲率对水平距离的影响可用公式△D/D=D2/3R2计算相对误差。当距离D为10km时，相对误差为1/120万，小于目前最精密距离丈量允许误差1/100万。地球曲率对高程的影响可用公式△H= D2/2R来计算，据此式，就高程测量而言，即使距离很短，影响也很大，如当距离为100m时，在高程方面误差就接近1mm，所以应考虑其影响。 作业二水准仪及水准测量 一、思考题 (1)水准测量的原理是什么计算高程的方法有哪几种
高分子材料加工工艺
高分子材料加工技术复习提纲 一、填空题 1.大材料包括（金属）、（非金属）、（高分子）。 2.高分子材料加工前，原料的状态可分为（粉状）、(粒料)、(溶液)、(分 散体）。 3.成型加工后进行的处理有(调温)、(调湿)、(调温调湿)。 4.塑料可分为(热塑性)塑料、（热固性）塑料两大类。 5.塑料的三态：（玻璃态）、（高弹态）、（粘流态）。 6.高分子材料热机械特性与成型加工的关系(6个空)。 二、名词解释 1.挤出成型：挤出成型时预处理过的物料经料斗加入挤出机中，在外部加热和内摩擦生热作用下以流动状态通过口模成型的方法。
2.注塑成型 ：注塑成型是将热塑性塑料先在加热机筒中均匀塑化，然后由螺杆或柱塞推压到闭合的模具型腔中，经冷却定型后得到所需的塑料制品的过程。 3.焦烧：橡胶分子在贮存和生产过程中提前硫化的现象. 4.喷霜：橡胶助剂渗出制品表面的现象。 5.塑料：相对分子量在10000以上，以高分子化合物为基本成分，添加助剂能够自由成型的一类材料的总称。 6.橡胶：橡胶是一种高弹性的高分子化合物，是无定形的高聚物。 7.弹性体：材料在受力发生大变形再撤出外力后迅速回复其近似初始形状和尺寸的材料。 8.相溶性：聚合物的共混物制品在预期的使用期内，其组分始终不析出或者不分层。 三、 简答题 1.简述塑料挤出造粒的工艺流程及影响因素。 原料预处理 配料挤出机头成型冷却 牵引造粒 2.简述塑料挤出成型的工艺流程并阐述影响注塑成型的主要因素。 3.简述橡胶配方的五大体系。 生胶体系、硫化促进活化体系、补强填充体系、防老体系、增塑体系 4.简述压缩模塑的工艺流程及其影响因素。 加料闭模排气固化脱模 清理模具 影响因素：模压压力、模压温度、模压时间。 口模 冷却定型 原料预处理电、加热、内摩擦生热
设计材料及加工工艺（章节总结）
第一章概论 1.1 设计与材料纵观人类的进化史，与人类的生活和社会发展密不可分的有很多因素，其中材料的的开发、使用和完善就是其中之一。 材料是人类生产各种所需产品和生活中不可缺少的物质基础。可以说我们生活的周围任何物品都离开材料。材料科学的发展，使产品形态产生了根本变化，材料的发展，更是推动了人们生活的进步。 1.2 产品造型设计的物质基础材料在产品造型设计中，是用以构成产品造型，不依赖于人的意识而客观存在的物质，所以材料是工业造型设计的物质基础。 工艺：材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。是人类认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。 材料与工艺是设计的物质技术条件，与产品的功能、形态构成了产品设计的三大要素。而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上。 1.3 材料设计 1.材料设计的内容 产品造型中的材料设计，以“物—人—环境的材料系统为对象，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护啊看成一个整体，着重研究材料特性与人、社会、环境的协调关系，对材料的工学性，社会性、经济性、历史性、生理性、心理性和环境性等问题进行平衡和把握，积极评价各种材料在设计中的使用和审美价值，是材料的特性和产品的物理功能和犀利功能达到高度的和谐统一，是材料具有开发新产品和新功能的可行性，并从各种材料的质感中获取最完美的结合和表现，给人以自然，丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。产品造型的材料选择中，我们不仅要从材料本身的角度考虑材料的功能特性，还要考虑整个材料设计系统。 材料设计的方式出发点：原材料所具有的特性与产品所需性能之间的比较。 两种主要方式：（从产品的功能用途出发，思考如何选择和研制相应材料（从原料出发，思考 如何发挥材料的特性，开拓产品的新功能，甚至创造全新的产品。 材料与产品的匹配关系产品设计包含功能设计、形式设计，在产品设计中都要匹配。 材料性能的三个层次：核心部分是材料的固有性能；中间层次世人的感觉器官能直接感受的材料性能；外层是材料性能中能直接赋予视觉的表面性能。 产品功能设计所要求的是与核心部分的材料固有性能相匹配，而在产品设计中除了材料的形态之外，还必须考虑材料与使用者的触觉、视觉相匹配。 1.4 设计材料的分类 1.按材料的来源分类：①天然材料②技工材料③合成材料④复合材料⑤智能材料或应变材料按材料的物质结构分类：①金属材料②无机材料③有机材料④复合材料 按材料的形态分类：①线状材料②板状材料③块状材料 1.5 材料特性的基本特性 从材料特性包括：①材料的固有特性，即材料的物理化学特性②材料的派生特性，即材料的加工特性材料的感觉特性和经济特性。 特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。 1.5.1 材料特性的评价 材料特性的评价：①基础评价，即以单一因素评价②综合评价，即以组合因素进行评价。 1.5.2 材料的固有特性材料的固有特性是由材料本身的组成、机构所决定的，是指材料在使用条件下表现出来的性能，他受外界条件的制约。 1.5.3 材料的派生特性材料的派生特性包括材料的加工特性、材料的感觉特性、环境特性和材料的经济性。 第二章材料的工艺特性材料的工艺特性是指：材料适应各种工艺处理要求的能力，材料的工艺性包括材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。他是材料固有特性的综合反映，是决定材料能否进行加工或如何
《水利工程测量》作业一答案 一、填空（每小题2分，共20分）： 1、测量学的概念是：测量学是研究如何测定 地面点的平面位置和高程 ，将地球表面的 地形及其它信息 测绘成图，以及研究地球的形状和大小等的一门科学。 2、绝对高程（简称高程）的定义是：某地面点沿着 铅垂线 方向到 大地水准面 的距离。 3、测设（施工方样）的概念是： 工程施工时，把设计的建筑物或构筑物的平面位 置、高程标定到实地的测量工作， 叫做测设。 4、大地水准面的定义是： 一个与假想的无波浪、潮汐、海流和大气压变化引起扰 动的处于流体静平衡状态的海水面相重合并延伸向大陆，且包围整个地球的重力等位面， 叫做大地水准面。 5、大地水准面的特性是：⑴、 封闭性 ；⑵、 不规则性 ；⑶、 处处与该处的铅 垂线相垂直 。 6、在一定的观测条件下，用某种仪器或工具与被观测量 直接比较 所得到的结果，叫做直接观测值。 7、从过某点的坐标纵线的 北端 起，依 顺时针 方向，量至目标方向线的水平夹角，叫做坐标方位角。 8、象限角的定义是：从过某点的坐标纵线的 北端或者南端 开始，沿着 顺时针或者 逆时针 方向，量至目标方向线的小于090的角（水平夹角），叫做象限角。 9、高斯投影后，在平面上经纬线的夹角关系是： 均互相正交 。 10、同精度观测值的定义是： 在相同的观测条件下 进行一组观测所得到的一组观测值，叫做同精度观测值。 二、简答（共30分）： 1、已知两段距离的长度及其中误差为： ? ? ?±±mm m mm m 5.2684.8505.2465.230 试说明这两段距离的真误差是否相等？它们的最大误差是否相等？它们的精度是否相等？ 它们的相对精度是否相等？（1分） 答：这两段距离的真误差不一定相等；它们的最大误差是相等；它们的精度是相等；它们的相对精度不相等。
西安交通大学 “材料加工模拟与仿真”课程教学大纲 英文名称：Simulation and Numerical Analysis in Materials Processing 课程编码：MA TL4060 学时：24 学分：1.5 适用对象：材料科学与工程专业本科生 先修课程：材料科学基础、材料制备与成形 使用教材及参考书： 陈立亮主编，《材料加工 CAD/CAM基础》，机械工业出版社，2003年 靳玉春主编，《成型过程数值模拟》，兵器工业出版社，2004年 董湘怀主编，《材料成形计算机模拟》，机械工业出版社出版社，2002年 张凯锋主编，《材料热加工过程的数值模拟》，哈尔滨工业大学，2001年 牛济泰主编，《材料和热加工领域的物理模拟技术》，国防工业出版社出版社，1999年 一、课程性质、目的和任务 本课程是向材料专业材料加工方向的高年级本科生介绍现代计算机模拟和仿真技术在材料加工中应用的专业课程。 通过本课程的学习，使学生初步掌握模拟与仿真的概念，培养高级的材料加工研究专门人才。 本课程在教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法；在培养学生的实践能力方面，着重计算机软件高级开发能力的基本训练。本课程将介绍材料热加工数值模拟的基本知识，包括基本理论、方法、应用等。重点介绍材料热加工中的温度场、应力应变场、流场以及扩散方面的数值模拟与仿真内容。 二、教学基本要求 通过本课程的学习使学生能了解和掌握材料加工模拟与仿真的基础理论和应用技术，为进一步深入学习及从事材料加工研究和应用打下良好的基础。
三、教学内容及要求 第一章：模拟与仿真的基本原理 1. 材料成形数值模拟概述 2. 有限差分方法介绍 3. 有限元方法介绍 第二章：材料加工温度场数值模拟 1. 温度场及传热的基本概念 2. 传热问题的数值计算 3．温度模拟在材料热加工中的应用 第三章：材料热加工过程的应力应变场数值模拟 1. 材料热加工过程的固体应力应变数值分析的基本问题和基本方法 2. 弹性平面问题的有限元法 3. 弹塑性平面问题的有限元法 4. 热弹塑性有限单元法 5．大变形弹塑性有限单元法 第四章：金属热成形过程流场数值模拟 1. 金属液充型过程数值模拟 2. 充型流动的数学模型及数植模拟的前处理 3．数学模型的离散 4．边界条件 5 数值稳定性条件 6．固相析出的处理 第五章：金属中的扩散及扩散过程的数值模拟 1. 扩散的原子理论 2. 扩散过程的宏观描述 3．扩散系数的理论计算与实验测定方法
选择题(选择一个正确答案) 1.焊缝中常见的缺陷是下面哪一组?(b) a.裂纹,气孔,夹渣,白点和疏松 b.未熔合,气孔,未焊透,夹渣和裂纹 c.气孔,夹渣,未焊透,折叠和缩孔 d.裂纹,未焊透,未熔合,分层和咬边 2.下面哪种缺陷不是滚轧产品中常见的缺陷？（c）：a.缝隙 b.疏松 c.冷隔 d.裂纹 3.下面哪种缺陷不是锻造产品中常见的缺陷？（b）：a.折叠 b.疏松 c.裂纹 d.白点 4.下面哪种缺陷通常与焊接工艺有关？（a）：a.未焊透 b.白点 c.缝隙 d.分层 5.下面哪种缺陷是由于锻造工艺引起的？（b）：a.缩管 b.折叠 c.分层 d.以上都是 6.下面哪种缺陷是由于滚轧工艺引起的？（b）：a.气孔和缩管 b.分层 c.裂纹 d.以上都是 7.下面哪种缺陷属于锻件缺陷?(b)：a.冷隔 b.折叠 c.未熔合 d.咬边 8.下面哪种缺陷属于铸件缺陷?(a)：a.冷隔 b.折叠 c.未熔合 d.咬边 9.下面哪种缺陷属于焊缝缺陷?(c)：a.冷隔 b.折叠 c.未熔合 d.分层 10.下面哪种元素属于钢中的有害元素(c)：a.镍 b.铝 c.硫 d.铬 11.下面哪种元素属于钢中的有害元素(c)：a.钨 b.铝 c.磷 d.钛 12.属于制造加工过程中出现的缺陷为(d)：a.疲劳裂纹 b.腐蚀裂纹 c.残余缩孔 d.焊接裂纹 13.属于制造加工过程中出现的缺陷为(c)：a.疲劳裂纹 b.应力腐蚀裂纹 c.热处理裂纹 d.疏松 14.下列缺陷中的(e)是使用过程中出现的缺陷：a.疲劳裂纹 b.气孔 c.发纹 d.应力腐蚀裂纹 e.a和d 15.下列缺陷中哪个是金属材料机械加工过程中产生的缺陷?(d) a.残余缩孔 b.非金属夹杂 c.条带状偏析 d.冷作硬化 16.下列哪种缺陷是原材料缺陷?(d)：a.疲劳裂纹 b.腐蚀裂纹 c.淬火裂纹 d.疏松 17.下列缺陷中的(d)是原材料缺陷：a.疲劳裂纹 b.应力腐蚀裂纹 c.热处理裂纹 d.疏松 18.下列缺陷中哪种是使用过程中出现的缺陷?(a)：a.疲劳裂纹 b.气孔 c.热处理裂 纹 d.疏松 e.发纹 19.下列缺陷中的(b)是使用过程中出现的缺陷：a.淬火裂纹 b.腐蚀凹坑 c.未熔合 d.冷隔 20.下列缺陷中哪种是原材料缺陷?(d)：a.疲劳裂纹 b.应力腐蚀裂纹 c.热处理裂 纹 d.疏松