材料成形CAD/CAE技术与应用

材料CAD/CAE技术将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深远影响，设计人员和工艺人员可以借助CAD/CAE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，缩短工模具开发周期，降低产品生产成本。本书在内容编排上，侧重于将基础理论与专业知识及专业技能有机结合，舍去过多的理论阐述和数学公式推导，通过掌握主流、先进CAE软件操作，可以快速提高解决实际问题的能力，为实际工作和学习奠定坚实基础。 

材料成形CAD/CAE技术将为材料成形过程研究、工模具设计等带来深远影响。借助CAD/CAE技术，设计人员和工艺人员可以模拟材料成形过程，缩短工模具开发周期，降低产品生产成本。本书系统讲述了材料成形CAD/CAE技术的发展与应用；几何造型技术；参数化建模、特征建模、装配建模技术；数据交换技术；逆向工程技术；有限元及有限差分法基本概念及原理；塑料注射成型CAE技术及应用；金属铸造成型CAE技术及应用；板料冲压成形CAE技术及应用；金属焊接成形CAE技术及应用等。全书强调理论联系实际，深浅适度，配合大量计算机实际操作与先进CAD/CAE软件的工程应用，能快速提高解决实际问题的能力，为工作和学习奠定坚实基础。本书可供广大从事材料成形与工模具设计制造的设计人员、技术人员和科研人员参考，也可作为高等院校材料成形及控制工程专业、材料类和机械类相关专业师生的教学参考书或教材。

第1章绪论1

1.1前言1

1.2材料成形CAD/CAE概述2

1.2.1传统分析法的弱点2

1.2.2工程意义2

1.2.3应用现状4

1.2.4发展趋势7

1.3常见通用CAD/CAE系统9

思考题10

第2章计算机辅助设计（CAD）技术及应用11

2.1CAD技术概述11

2.1.1CAD定义11

2.1.2CAD技术的发展历程12

2.1.3现代CAD的技术特征14

2.1.4CAD系统功能组成15

2.2几何造型技术17

2.2.1形体的定义18

2.2.2线框模型19

2.2.3表面模型19

2.2.4实体模型20

2.3参数化建模技术23

2.3.1参数化建模概述23

2.3.2基于约束驱动的草图绘制25

2.3.3常用的参数化设计方法27

2.4特征建模技术28

2.4.1特征的定义与分类28

2.4.2参数化设计软件中的特征28

2.4.3特征建模方法30

2.4.4特征关系40

2.5装配建模技术41

2.5.1装配建模原理41

2.5.2装配建模方法43

2.5.3装配约束分类44

2.6数据交换技术46

2.6.1产品数据定义46

2.6.2产品数据交换标准47

2.6.3常见数据交换标准48

2.7CAD系统智能设计技术53

2.7.1人工智能53

2.7.2专家系统54

2.7.3模糊理论55

2.7.4人工神经网络56

2.7.5虚拟现实技术58

2.8逆向工程技术59

2.8.1逆向工程的定义59

2.8.2逆向设计流程60

2.8.3三维扫描技术与设备61

2.8.4主流专业软件介绍65

2.8.5实例操作67

思考题78

第3章计算机辅助工程(CAE)技术基础94

3.1有限元分析概述94

3.2有限元法基础95

3.2.1基本概念与思路95

3.2.2有限元方程的建立与应用96

3.2.3有限元解的收敛性与误差控制104

3.2.4非线性问题的有限元法107

3.2.5有限元求解应用问题的一般步骤109

3.3有限差分法基础110

3.3.1基本概念110

3.3.2有限差分数学知识111

3.3.3利用FDM求解应用问题的一般步骤113

3.4CAE分析的若干注意事项113

3.4.1简化模型113

3.4.2选择单元114

3.4.3划分网格116

3.4.4建立初始条件和边界条件117

3.4.5定义材料参数118

思考题118

第4章塑料注射成型CAE技术及应用119

4.1概述119

4.1.1塑料注射成型CAE技术的研究内容119

4.1.2CAE技术在塑料注射成型中的应用119

4.2注射成型CAE技术基础123

4.2.1流动模拟124

4.2.2保压分析126

4.2.3冷却分析129

4.2.4结晶、取向分析131

4.2.5应力与翘曲分析131

4.3主流专业软件简介132

4.3.1Moldflow132

4.3.2其他软件133

4.4CAE前处理参数设置136

4.4.1网格模型技术136

4.4.2网格统计与修复137

4.4.3一模多腔布置140

4.4.4浇注系统和冷却水道创建140

4.5操作实例141

4.5.1模拟分析前的准备141

4.5.2分析结果及其应用144

4.5.3堵盖成型的裂纹问题146

思考题149

第5章金属铸造成型CAE技术及应用150

5.1概述150

5.1.1铸造CAE技术的研究内容150

5.1.2CAE技术在铸造成型中的应用151

5.2铸造成型CAE技术基础153

5.2.1铸件凝固过程CAE153

5.2.2铸液充型过程CAE160

5.2.3铸件凝固收缩缺陷的CAE167

5.3主流专业软件简介172

5.3.1MAGMASoft172

5.3.2ProCAST173

5.3.3华铸CAE174

5.3.4其他软件174

5.4CAE分析参数设置(HZCAE重力铸造)177

5.4.1网格划分及检查177

5.4.2纯凝固传热计算(第1种计算)178

5.4.3纯充型流动计算(第2种计算)178

5.4.4充型与传热耦合计算(第3种计算)180

5.4.5基于耦合的凝固计算(第4种计算)181

5.5操作案例182

5.5.1问题描述182

5.5.2CAE分析参数设置184

5.5.3分析结果与讨论189

思考题191

第6章板料冲压成形CAE技术及应用192

6.1概述192

6.1.1板料冲压成形的基本方法192

6.1.2CAE技术在冲压成形中的应用193

6.2大变形弹塑性有限元法201

6.2.1大变形下的应变与应力201

6.2.2大变形弹塑性本构方程206

6.2.3大位移有限应变弹塑性有限元刚度方程206

6.3主流专业软件简介208

6.3.1Dynaform209

6.3.2PAMSTAMP211

6.3.3其他软件211

6.4CAE分析参数设置213

6.4.1单元选择与单元尺寸控制213

6.4.2材料模型的确定217

6.4.3拉深筋的处理220

6.4.4界面接触与摩擦222

6.4.5毛坯尺寸的反向设计223

6.4.6模具的运动和加载226

6.4.7冲压速度的设置226

6.4.8多工步成形设置227

6.5操作实例1——S轨制件的冲压成形228

6.5.1准备分析模型228

6.5.2设置分析参数与补充、定位网格模型230

6.5.3计算求解233

6.5.4判读分析结果235

6.5.5成形质量改善途径235

6.6操作实例2——多工步冲压成形236

6.6.1工艺方案的制定236

6.6.2有限元模型的建立237

6.6.3CAE分析结果讨论238

思考题243

第7章金属焊接成形CAE技术及应用244

7.1概述244

7.1.1焊接成形CAE的研究内容244

7.1.2CAE技术在焊接成形中的应用245

7.1.3焊装变形预测247

7.2焊接过程CAE250

7.2.1熔池传热数学模型251

7.2.2初边值条件254

7.2.3计算方法256

7.2.4焊接热过程CAE的若干问题256

7.3主流专业软件简介262

7.4操作实例1——ANSYS263

7.5操作案例2——SYSWELD267

7.5.1有限元模型的构建267

7.5.2网格检查及清理268

7.5.3焊接工艺设置271

7.5.4后处理277

思考题278

参考文献279

材料成形技术是指利用各种方式和手段赋予相关材料以特定形状、具有特定属性、能够满足特定需要的一类技术的总称。随着人类社会的进步，材料成形已经从经验走向科学、从手工生产发展到全自动化生产。材料成形CAD/CAE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深远影响，设计人员和工艺人员可以借助CAD/CAE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，从而减少物理实验次数，缩短工模具开发周期，降低产品生产成本。本书在内容编排上，侧重于将学习材料成形CAD/CAE技术的基础理论与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，为每一章增加一些操作应用实例，使广大读者能够在较短的时间内，了解和掌握材料成形CAD/ACE应用的基础理论与相关技术；同时，通过掌握1～2个主流软件的操作，配合必要的计算机实际操作，借助CAD/CAE方法，提高解决实际问题的能力，为实际工作奠定坚实的基础。全书共分7章，主要内容有：材料成形CAD/CAE技术的发展与应用；几何造型技术；参数化建模、特征建模、装配建模技术；数据交换技术；逆向工程技术；有限元及有限差分法基本概念及原理；塑料注射成型CAE技术及应用；金属铸造成型CAE技术及应用；板料冲压成形CAE技术及应用；金属焊接成形CAE技术及应用等。本书可供广大从事材料成形与工模具设计制造的设计人员、技术人员和科研人员参考，也可作为高等院校材料成形及控制工程专业、材料类和机械类相关专业师生的教学参考书或教材。本书由西华大学组织编写。其中，彭必友编写第1、3章，并负责全书统稿；肖兵编写第2、7章；余玲编写第4、5章；查五生编写第6章。书中的部分操作实例由以下同学协助完成：王永强、赵祥、刘杰、王雪飞、王鹏、黄杰、徐成峰、魏琪、彭芮、王岚等。除此之外，ESI成都分公司的刘晋提供了SYSWELD部分的实例素材，成都扶郎花科技有限公司提供了逆向建模部分的实例素材，在此表示感谢！此外，傅建教授详细审阅了本书的结构及全文，担任了本书主审，提出了许多宝贵的修改意见，在此深表感谢！由于编著者水平和时间有限，不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。编著者2017年8月