计算机在材料成型及控制工程的应用.docx
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计算机在材料成型及控制工程的应用
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计算机在材料成型及控制工程的应用
专业概况：
材料成型及控制工程是研究热加工改变材料的微观结构、宏观性能和表面形状，研究热加工过程中的相关工艺因素对材料的影响，解决成型工艺开发、成型设备、工艺优化的理论和方法；研究模具设计理论及方法，研究模具制造中的材料、热处理、加工方法等问题。
是国民经济发展的支柱产业。
计算机在该专业的一些典型应用：
模型设计：
近几十年来，在汽车工业和航空工业的带动下，随着塑性加工理论、数字化技术、优化技术和运筹学的发展，计算机技术已逐渐用于解决金属塑性加工中的各种复杂问题，包括计算机辅助规划（LAPP）、辅助设计（CAD）等方面。
这些计算机技术的成功应用，大大促进了材料加工技术的快速发展。
例如，模具设计：
1、将各组件产品图纸利用设计软件（CAD、PRO/E、UG、Mastercam、Solidworks等，对一般结构简单的模具,CAD软件又快又好用,对结构复杂,曲面较多的模具,PRO/E、UG、Mastercam、Solidworks等都是较好分型软件和制造软件）设计出来，并进行组立分析。
2、在产品分析之后所要进行的工作，对产品进行分析采用什么样的模具结构（可借助计算机），并对产品进行排工序，确定各工序冲工内容，并利用设计软件进行产品展开，在产品展开时一般从后续工程向前展开。
3、备料，依产品展开图进行备料，在图纸中确定模板尺寸，包括各固定板、卸料板、凸凹模、镶件等。
在备料完成后即可全面进入模具图的绘制，在备料图纸中再制一份出来，进行各组件的绘制。
4、在以上图纸完成之后，其实还不能发行图纸，还需对模具图纸进行校对，将所有配件组立，对每一块不同的模具板制作不同的图层，并以同一基准如导柱孔等到进行模具组立分析，并将各工序产品展开图套入组立图中，确保各模板孔位一致以及折弯位置的上下模间隙配合是否正确。
在材料成型的设计当中，计算机的引入极大地减少了设计成本，减少了设计错误，提高了设计效率，为快速高效的完成大型的复杂的工程设计提供了可能。
数据处理：
现有工程材料的种类繁多，其成分、结构、性能等构成了庞大的信息系统。
目前已经建立了许多不同类型的材料数据库，如合金、金属间化合物、高分子聚合物、陶器、玻璃、晶体、复合材料等各种材料的物理、化学和物理化学性质、力学性能等方面的数据库。
这些数据库在材料设计、合理选材等方面发挥了巨大作用。
例如，耐磨料磨损材料数据库系统（databasesystemof
abrasivewearresistancematerials）：
约80%的零件失效是磨损引起的，其中磨料磨损占50%以上。
．多年来，国内对耐磨材料及相关
特征的研究已经积累了大量的经验和数据。
该数据库以磨料磨损工作系统（ASWW）为基础，用可视化数据库编程语言Delphi设计耐磨料磨损材料数据库系统（AWMDS），在实现耐磨料磨损材料信息存储、管理、查询功能的基础上，采用定量关系进行选材，从而对从事磨损研究。
数据库系统构成：
1磨料磨损工作系统（AWWS）将磨损过程中的诸多影响因素归纳整理建立磨料磨损工作系统（AWWS），磨料磨损工作系统包括：
磨料特性、耐磨材料、工作条件和检测手段．磨料是工程研究的主要对象，不同特性的磨料在一定的工作条件下，所选择的耐磨材料各不相同；工作条件是工作系统中的重要外部因素，对磨损进程至关重要；检测手段对整个工作系统的具体情况进行测试及评价．总之，磨料磨损工作系统是一个各因素相互联系、制约的有机整体。
2考虑到整个系统材料种类、规格多，数量大，影响因素复杂等特点，数据库结构设计采用面向对象，关系型动态数据库，按数据类型，科学合理地设置各种类型的字段，便于分类存放，统一管理，提高检索与查询速度．本系统将为用户查询耐磨料磨损材料的相关数据提供友好的界面和快速准确的服务，并在此基础上为耐磨料磨损的选材提供依据和帮助．故建立该系统的总体框架应以磨料磨损工作系统为基础和出发点。
库内存储15个数据分库（磨损类型与特征分库，磨料特性分库，耐磨材料分库，工作条件分库，检测手段分库，磨料磨损典型零件分库、文摘分库、国标分库、科研单位分库、生产厂家分库和经验关系分库等），34个数据表（磨料磨损数据表，磨料硬度表，磨料磨损性能表等），这都将材料的工艺-组织-性能同时呈现给用户，达到产品选材和工艺咨询的目的。
模拟仿真：
1、随着计算机硬件和软件技术的迅猛发展，材料和工艺的计算机模拟近年来已成为国际上材料科学领域特别是高新技术材料领域内的热门研究方向，并初步形成一门崭新的分支学科——计算材料学。
2、计算材料学的基本内涵是计算机材料设计或称材料模拟，目的在于优化新型材料的设计方法；二是材料工艺的计算机模拟或称过程模拟，旨在优化材料制品的性能和质量，降低生产成本。
计算材料学的发展成为连接材料科学基础研究与工程应用、微观与宏观性能的桥梁，对未来材料研制将具有指导作用。
3、计算机模拟能将材料的成分、工艺、结构、性能和使用性能一体设计有机地联系起来，从而避免材料研制与应用的脱节。
下面介绍一下过程模拟（processsimulation）：
1、用表示系统内各装置特性的数学模型（物料平衡、热量平衡、热力学平衡和设备设计方程等）以及表示各装置间结合关系的数学式，表示过程系统的特性。
2、过程模拟有开式与控制式之分，前者是从过程输入求出各装置的输出状态，后者是确定各装置的设计或操作条件以达到指定的过程输入或输出。
3、计算方法分序贯模块式（占商用模拟系统的80%）与联立方程式两大类（也有兼具二者的特点者），前者把一个装置的数学模型作为一个模块，称为单元计算，模拟过程即追踪信息在模块间的流动情况；后者是通过求解联立方程得到所需要的系统信息。
计算机模拟在材料成形加工中的应用
材料成形过程是极其复杂的高温、动态和瞬时过程，难以直接观察。
利用计算机模拟材料成形过程，可预测产品的质量，减少试验次数;确定最佳的工艺流程，以达到某一特殊性能的要求;动态显示各个物理量的演变历程和空间分布;提高劳动生产率。
目前，模拟仿真技术己能用在压力铸造、熔模铸造等精确成形加工工艺中，而焊接过程的模拟仿真研究也取得了可喜的进展。
1液态成形的计算机模拟
液态成形过程的计算机模拟已由形状尺寸的宏观模拟进入微观模拟阶段。
从1992年至今，开展了微观组织形态的计算机模拟，获得了可重复的产品质量，实现了工艺的可视化。
1.1液态金属充型过程的计算机模拟
到目前为止，已研究出许多算法，如并行算法、三维有限单元法、三维有限差分法、数值方法与解析方法混合的算法等。
充型过程的数值模拟已出现了一些商品化的软件包，并在压力铸造、低压铸造、消失模铸造等铸造方法中，在对实际铸件的缺陷分析和优化工艺等方面得到了积极的应用。
今后充型模拟的研究发展趋势就是辅助设计浇注系统。
1.2凝固过程的计算机模拟
铸件凝固过程数值模拟的基本理论基础是傅里叶导热微分方程。
数值模拟的基本方法主要是有限差分法、有限元法和边界元法.
目前，缩孔、缩松定量预测的方法已经在铸造厂得以应用，并取得了良好的经济效益。
如德阳中国二重集团铸造厂于2001年用计算机模拟试制成功的长江三峡水轮机叶轮，结束了该件从加拿大进口（价值960美元）的局面。
1.3应力场的计算机模拟
铸件凝固过程应力场的分析模拟也是建立在传热学基础上的。
应力分析采用的模型有热弹塑模型、热弹粘塑性模型、热弹性模型及弹性、理想塑性模型等,采用的方法多为有限元法、有限体积法、控制体积有限差分法等。
1.4凝固组织形成过程的计算机模拟
凝固微观过程的模型化及其数值模拟是对铸件凝固组织的相形态、晶粒度、枝晶间距等微观组织和微观缺陷形成过程的模拟，最终达到预测铸件各部位组织和力学性能的目的以此为依据优化设计重人件的铸造工艺，保证其内在质量和提高铸件的使用性能。
凝固过程组织数值模拟的主要模型有蒙特卡罗模型（MonteCarlo）、相场模型和基于界面稳定性理论的，钻体生长模型。
2塑性成形的计算机模拟
塑性成形过程的计算机模拟是在计算机上对金属塑性成形过程进行实时跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个过程的技术,如图1所示。
其目的在于通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变和组织等进行仿真，实现对工艺过程、毛坯形状以及模具结构的优化。
它能缩短研发周期，提高产品质量，延长模具寿命，降低生产成本。
在国外，塑性成形数值模拟已成为某些大型企业新产品开发链条中不可缺少的环节，同时数值模拟对优化已有产品的生产工艺同样具有重要意义，如美国福特、通用汽车公司在开发新车型时，已将板材冲压过程的数值模拟作为一个重要的技术环节;德国应用计算机模拟技术对质量为400t的核电转子锻件的锻造工艺进行校核、优化，确保了一次制造成功。
图1塑性成形过程计算机模拟流程
当前塑性成形数值模拟面临的挑战是:
在建立分析模型时输人准确数据;进一步改进有限元软件;开发旨在提高计算效率的并行计算系统;开发工艺设计专家系统;优化预锻型腔;培训高水平的操作人员。
现有模拟分析塑性成形的方法有切块法、滑移线法、上限法、有限元法和边界元法等，其中以有限元法特别是刚性有限元法应用最为广泛。
2.1数值模拟技术在塑性加工中的应用
在塑性成形数值分析中应用最广泛、最有效、最具生命力的一种方法就是有限元法。
有限元法分为静态隐式有限元法和动态显式有限元法。
数值模拟技术已应用到体积成形、板料成形以及当前塑性成形的前沿领域和镁、铝、等难变形轻合金的成形。
2.2人工智能在塑性加工中的应用
人工智能也称机器智能，它是计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学及语言学等多种学科互相交叉渗透而发展起来的一门综合性学科。
近年来，智能化的研究成果己被成功地引入至金属塑性加工领域板材冲压成形、旋压成形的智能化控制技术冷轧铝箔、带钢以及棒材轧制的智能化控制技术、冷锻工艺设计的智能知识库系统及神经网络系统，冲压连续模交互设计系统，弯曲工艺设计的专家系统，热模锻工艺设计专家系统等方面的研究先后兴起并迅速发展。
3连接成形的计算机模拟
连接成形的计算机模拟主要指对焊接工艺过程的计算机模拟，目前研究的领域包括焊接热过程、焊接冶金过程、焊接热应力、残余应力和变形的模拟。
目前，常用的焊接显微组织模拟的方法主要有4种:
①经验法;②统计方法;③组织形成的直接模拟方法;④基于物理状态变量法（内部状态变量法）。
选用有效的方法将热场、应力场与显微组织场三场进行祸合，建立反映真实焊接组织变化过程的模型，并且利用模型对焊接接头进行性能预测，直接指导生产工艺，是今后显微组织模型的发展方向。
4展望
计算机模拟技术已广泛应用于包括材料液态成形、塑性成形、连接成形、高分子材料成形、粉末冶金成形、复合材料成形等各种材料成形领域。
计算机模拟技术在材料成形加工中的应用，使材料成形工艺从定性描述走向定量预测的新阶段;为材料的加工及新工艺的研制提供理论基础和优选方案;从传统的经验试错法，推进到以知识为基础的计算试验辅助阶段;对于实现批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好的未来制造模式具有非常重要的意义。
拥有计算机的强大功能，可模拟车祸进行材料强度的计算以及进行材料受力分析等用其他方法难以完成的模拟。
这就给材料设计及工艺带来了极大的好处。
自动控制：
在材料加工控制领域，运用较多的是微型计算机和可编程控制器。
计算机在材料加工中的应用包括以下几个方面:
物化性能测试数据的自动聚集和处理、加工过程的自动控制、计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）、计算机辅助研究、材料加工过程的全面质量管理等。
利用计算机实现对生产设备或生产过程进行检测与控制,是计算机在材料科学中应用的重要内容。
有着计算机的帮助，人们建立了许多自动控制系统来管理生产。
在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的自动控制系统是实现自动化的主要手段。
对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统。
在此基础上通过采用数字计算机还建立起了控制性能更好和自动化程度更高的数字控制系统，以及具有控制与管理双重功能的过程控制系统。
计算机控制在材料成形加工中的应用
材料加工技术的发展主要体现在控制技术的飞速发展，微机和可编程控制器（PLC）在材料加工过程中的应用正体现了这种发展和趋势。
在材料加工过程中利用计算机技术不仅能减轻劳动强度，更能改善产品的质量和精度，提高产量。
用计算机可以对材料加工工艺过程进行优化控制。
例如在计算机对工艺过程的数学模型进行模拟的基础上，可以用计算机对渗碳全过程进行控制。
在材料的制备中，可以对过程进行精确的控制，例如材料表面处理（热处理）中的炉温控制等。
计算机技术和微电子技术、自动控制技术相结合，使工艺设备、检测手段的准确性和精确度等大大提高。
控制技术也由最初的简单顺序控制发展到数学模型在线控制和统计过程控制，由分散的个别控制发展到计算机综合管理与控制，控制水平提高，可靠性得到充分保证。
1计算机控制原理
在材料加工控制领域，运用较多的是微型计算机和可编程控制器。
计算机在材料加工中的应用包括以下几个方面:
物化性能测试数据的自动聚集和处理、加工过程的自动控制、计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）、计算机辅助研究、材料加工过程的全面质量管理等。
利用计算机实现对生产设备或生产过程进行检测与控制,是计算机在材料科学中应用的重要内容。
计算机的控制部件,仪表结合形成计算机检测与控制系统,如图2所示,生产过程将被测试和控制的信号,如温度、压力、流量等参数,首先通过传感器采集并将这些非电物理量转换成电信号,如电压、电流等,再将信号放大,满足模数转换器（A/D）的要求,放大后的电信号传递给A/D,由A/D板将电信号转为数字信号,经输入输出接口（I/O）输入计算机,再由计算机按事先编好的检测和控制程序进行运算,逻辑判断、比较,将结果再由I/O接口输出。
输出的数字信号经模数转换器（D/A）转为模拟信号（如电压电流信号）,经放大器放大后,用于带动相应的执行机构,从而实现对生产过程中的温度、压力、流量等参数的实时检测与控制。
图2计算机检测与控制系统示意图
2计算机控制技术在塑性加工中的应用[3]
塑性加工作为一种传统工艺，提高其生产率、稳定产品质量、开发高精度产品的重要前提是设备的高精度化和自动化控制。
计算机数控技术的出现极大地提高了塑性成形设备的柔性化和控制的可靠性。
目前，计算机控制的成形设备和系统主要有以下几类:
（1）CNC成形设备主要指的是由计算机控制的数控成形设备，其主要特点是可以实现设备运动轨迹和执行部件（如冲头）回转等程序化动作，在一定模具的配合下，可以实现多工序的加工。
（2）FMC成形设备是在一台或多台计算机控制下，由一台CNC成形设备为主机并辅助一些交换工作台、上下料机械手组成的柔性制造单元。
它在CNC单机的基础上增加了设备的自动化和柔性化程度，可实现无人化操作。
（3）FMS成形设备在一台或多台计算机的控制下，由一些CNC成形设备和FMC设备配备一些辅助设备及仓库组成，所有这些设备都由一台中央计算机协调控制。
（4）CIMS系统CIMS是一种基于CIM理念构成的计算机化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统。
CIM是一种组织、管理和运行企业的理念，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机地结合，借助计算机使企业产品全生命周期，各阶段活动中有关的人力组织、经营管理和技术要素及信息流、物流、能量流和价值流等有机集成，并优化运行，以达到产品上市快、高质、低耗、服务好、环境清洁，进而提高企业的柔性、敏捷性，使企业具有较强的市场竞争力。
3展望
目前，在工业发达国家计算机对塑性成形设备的控制率已达到80%以上，而我国成形设备的计算机控制率不仅大大低于发达国家，而且其他加工设备、自行研制的大规模的智能化塑性加工生产线还较少。
因此相对塑性加工工艺来说，在成形设备上加大计算机技术的应用还任重道远。
材料制备加工、复杂形状金属零件的成形工艺，计算机模拟、专家数据库技术、智能控制技术，己成为先进塑性加工技术和传统塑性加工技术改造的必要手段。
很多新工艺的出现都是以数控加工控制为前提的，过去无法实现的一些塑性加工工艺，在智能控制等基础上都可以实现。
材料成形加工技术的发展趋势
美国在“新一代制造计划（NextGenerationManufacturing）”中指出未来的制造模式将是:
批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好。
下一代制造工艺包括精确成形加工制造或称净成形加工工艺（NetShapeProcess）。
净成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更精、更强、更韧、成本低、周期短、质量高的方向发展。
近几十年来，在汽车工业和航空工业的带动下，随着塑性加工理论、数字化技术、优化技术和运筹学的发展，计算机技术已逐渐用于解决金属塑性加工中的各种复杂问题，包括计算机辅助规划（LAPP）、辅助设计（CAD）、辅助制造（CAM）、辅助过程模拟（CAPS）、辅助产品检测（CAT）和质量监控（CAQ）等方面。
这些计算机技术的成功应用，大大促进了材料加工技术的快速发展。
计算机是材料成型与控制工程中的一种很重要的工具，它的应用贯穿于材料成型的设计到生产的全过程，它极大的推动了这门学科的发展与实用化。
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