材料成形过程数值模拟（傅建）（第2版）

本书为高等教育“十三五”规划教材，作者结合常用材料成形方法（铸造、冲压、锻造、焊接和塑料注射）介绍数值模拟的基本概念、原理、技术、方法和应用，内容主要包括有限元与有限差分法基础，金属铸造、冲压、锻压、焊接和塑料注射成形数值模拟所涉及的相关理论、数值方法、实现过程、应用案例等。本书是为高等院校材料成形与控制工程专业铸造、锻压、焊接、模具等方向学生编写的教材，也可供材料学科和机械学科相关专业的师生以及从事材料加工与工模具设计制造的工程技术人员参考。

第1章绪论1

1.1材料成形数值模拟的基本概念1

1.2材料成形数值模拟的工程意义及应用现状1

1.2.1工程意义1

1.2.2应用现状2

1.3材料成形数值模拟的发展趋势6

复习思考题8

第2章有限元与有限差分法基础9

2.1有限元法基础9

2.1.1基本概念与技术优势9

2.1.2有限元方程的建立与应用11

2.1.3有限元解的收敛性与误差控制23

2.1.4非线性问题的有限元法25

2.2有限差分法基础27

2.2.1有限差分法的特点27

2.2.2有限差分数学知识28

2.2.3利用有限差分法求解应用问题的一般步骤34

2.3边界元法和有限体积法简介35

2.3.1边界元法35

2.3.2有限体积法36

2.4应用数值方法模拟材料成形的若干注意事项36

2.4.1简化模型36

2.4.2选择单元38

2.4.3划分网格39

2.4.4建立初始条件和边界条件41

2.4.5定义材料参数41

复习思考题41

第3章金属铸造成形中的数值模拟43

3.1概述43

3.2技术基础43

3.2.1铸件凝固过程的数值模拟43

3.2.2铸液充型过程的数值模拟50

3.2.3铸件凝固收缩缺陷的数值模拟56

3.2.4铸造应力场的数值模拟61

3.3金属铸造成形数值模拟主流软件简介66

3.3.1MAGMAsoft66

3.3.2PROCAST67

3.3.3FLOW-3D Cast68

3.3.4JSCAST 69

3.3.5AnyCasting70

3.3.6华铸CAE 70

3.4应用案例70

3.4.1防喷器壳体铸件凝固分析70

3.4.2防喷器活塞的工艺结构设计77

3.4.3变速箱上盖压铸件的流动与凝固分析81

3.4.4其他案例85

复习思考题88

第4章金属冲压成形中的数值模拟89

4.1概述89

4.2技术基础89

4.2.1小变形弹塑性有限元法90

4.2.2大变形弹塑性有限元法95

4.2.3弹塑性有限元法应用中的若干技术问题102

4.3金属冲压成形数值模拟主流软件简介108

4.3.1DynaForm109

4.3.2AutoForm111

4.3.3PAM-STAMP 2G111

4.3.4FTI Forming Suite112

4.3.5FASTAMP-NX112

4.3.6KMAS113

4.4应用案例113

4.4.1DynaForm工作界面113

4.4.2利用DynaForm模拟冲压成形过程的一般步骤114

4.4.3S轨制件的冲压成形116

4.4.4摩托车后挡泥板的冲压成形124

4.4.5建筑扣件的弯曲成形128

复习思考题131

第5章金属锻压成形中的数值模拟133

5.1概述133

5.2技术基础135

5.2.1刚（黏）塑性有限元法135

5.2.2热力耦合分析148

5.3金属锻压成形数值模拟主流软件简介152

5.3.1Deform152

5.3.2Simufact.forming153

5.3.3Qform155

5.3.4Tranvalor FORGE156

5.3.5CASFORM157

5.4应用案例158

5.4.1Deform工作界面158

5.4.2叶片模锻160

5.4.3其他应用案例174

复习思考题177

第6章金属焊接成形中的数值模拟179

6.1概述179

6.2技术基础180

6.2.1焊接热过程的数值模拟180

6.2.2焊接应力与变形的数值模拟193

6.2.3电阻点焊数值模拟197

6.3金属焊接成形数值模拟主流软件简介201

6.3.1SYSWELD201

6.3.2Simufact.Welding202

6.4应用案例202

6.4.1Sumifact.Welding工作界面202

6.4.2前处理操作过程202

6.4.3模拟结果分析207

6.4.4其他案例209

复习思考题214

第7章塑料注射成形中的数值模拟216

7.1概述216

7.2技术基础217

7.2.1注射成形流动模拟217

7.2.2注射成形保压模拟228

7.2.3注射成形冷却模拟231

7.2.4注射成形应力与翘曲模拟239

7.3塑料注射成形数值模拟主流软件简介246

7.3.1Moldflow246

7.3.2Moldex3D248

7.3.3HsCAE3D249

7.3.4Z-MOLD249

7.3.5其他249

7.4应用案例250

7.4.1MPI操作界面与应用流程250

7.4.2塑料堵盖的注射成形252

7.4.3电器底座的成形外观质量改进264

7.4.4汽车空调除霜口的注射浇口定位267

7.4.5汽车内饰覆盖件的成形材料选择268

复习思考题269

参考文献271

 

前言

材料成形数值模拟技术在工业发达国家已得到较为广泛的认同与应用，它为材料成形方案制定、工模具设计、工艺参数优化、产品质量控制等方法和手段的变革带来意义深远的影响。设计人员和工艺人员可借助计算机平台仿真和预测材料成形过程中潜在的各种问题，及时修改和优化设计，以减少物理试验次数，缩短工模具开发周期，降低产品生产成本。

由于材料成形数值模拟技术涉及的学科领域较多，对专业综合基础理论及其应用的要求较高，所以，《材料成形过程数值模拟》或类似课程原来只面向研究生开设。然而，基于市场竞争加剧和劳动力成本压力，迫使部分企业开始逐渐重视本科毕业生掌握CAE技术的能力。但由于起步较晚、知识点较多、教学难度较大，以及过于偏重理论与数学公式推导等诸多因素，造成《材料成形过程数值模拟》或类似教材的内容不能很好地满足当前本科教学需要。考虑到本科层面的《材料成形过程数值模拟》教学主要是《材料成形CAD/CAE/CAM基础》或类似课程的延伸，且绝大多数高校将其作为专业选修（必选或任选）课对待，因此，本书在内容编排上，侧重于将学习材料成形过程数值模拟必须的基础理论与实用的专业知识及专业技能有机地结合，舍去过多的理论阐述和数学公式推导，为每一章增加若干可以举一反三的应用实例，使本科学生能够在较短的时间内，了解支撑材料成形数值模拟应用的基础理论与相关技术，初步熟悉借助CAE方法解决实际问题的基本思路及其过程，配合必要的上机实验，掌握1～2款主流CAE软件操作，为后续毕业设计和今后参加工作奠定某些基础。

本书共分7章，其中，第1章介绍材料成形过程数值模拟的基本概念、工程意义、应用现状及其发展趋势；第2章主要介绍有限元法和有限差分法的入门知识，以及应用数值方法模拟材料成形的若干技术问题；第3～7章则重点介绍数值模拟技术在金属铸造成形、冲压成形、锻压成形和焊接成形以及塑料注射成形中的应用，包括相关理论、数值方法、实现过程、应用案例等内容。为方便读者自学，在每一章后附有复习思考题。

本次再版主要修正了第1版中发现的问题，增添了一些新内容（例如第1章中的材料成形数值模拟发展趋势和第2章中的控制体积法简介），替换了部分数值模拟主流软件简介（例如第4、5、6、7章），统一了各章的编写风格（例如第4章中的概述），精简了个别章节的内容（例如第7章的7.4.1.1小节），改写了第5章的部分应用案例。

本书由西华大学材料科学与工程学院的傅建负责修编第1、2、5、7章并统稿，肖兵负责修编第3、4、6章。鉴于笔者水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者和同行批评指正。

编者

2018年10月

版前言

材料成形数值模拟技术在工业发达国家已得到较为广泛的认同与应用，它为材料成形过程研究、工模具设计、工艺参数优化、产品质量控制等方法和手段的变革带来意义深远的影响。设计人员和工艺人员可以借助计算机平台模拟和预测材料成形过程中潜在的各种问题，及时修改和优化设计，从而减少物理试验次数，缩短工模具开发周期，降低产品生产成本。

由于材料成形数值模拟技术涉及的学科领域较多，对专业综合基础理论及其应用的要求较高，所以，《材料成形过程数值模拟》或类似课程原来只面向研究生开设。但是，基于市场竞争加剧和劳动力成本压力，迫使部分企业开始逐渐重视本科毕业生掌握CAE技术的能力。由于起步较晚、知识点较多、教学难度较大，以及过于偏重理论与数学公式推导等诸多因素，造成《材料成形过程数值模拟》或类似教材的内容不能很好地满足当前本科教学需要。考虑到本科层面的《材料成形过程数值模拟》教学主要是《材料成形CAD／CAE／CAM基础》或类似课程的延伸，且绝大多数高校将其作为专业选修(必选或任选)课对待，因此，本书在内容编排上，侧重于将学习材料成形过程数值模拟必需的基础理论与实用的专业知识及专业技能有机地结合，舍去过多的理论阐述和数学公式推导，为每一章增加若干可以举一反三的应用实例，使本科学生能够在较短的时间内，了解支撑材料成形数值模拟应用的基础理论与相关技术，初步熟悉借助CAE方法解决实际问题的基本思路及其过程，配合必要的上机实验，掌握1～2个主流CAE软件操作，为后续毕业设计和今后参加工作奠定某些基础。

本书共分7章，其中，第1章介绍材料成形过程数值模拟的基本概念、工程意义、应用现状及其发展趋势；第2章主要介绍有限元与有限差分法的入门知识，以及应用数值方法模拟材料成形的若干技术问题；而第3～7章则重点介绍数值模拟技术在金属铸造成形、冲压成形、锻压成形、焊接成形以及塑料注射成形中的应用，包括相关理论、数值方法、实现过程、应用案例等内容。为方便读者自学，在每一章后还附有复习思考题。

本书由西华大学材料科学与工程学院和四川大学制造科学与工程学院共同完成，其中傅建编写第1、2、5章，彭必友编写第3、6章，曹建国编写第4、7章。此外，参加编写工作的还有四川工程职业技术学院张光明、成都航天模塑股份有限公司余玲。全书由傅建统稿。鉴于作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请读者和同行批评指正。

编者

2009年5月