1.2.2　应用现状

（1）材料液态成形

材料液态成形数值模拟多应用于模拟液态金属重力铸造、高/低压铸造、熔模铸造、壳型铸造、离心铸造、连续铸造、半固态铸造等成形工艺方法中的充型、凝固和冷却过程，预测铸造缺陷（例如：缩孔、缩松、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足），分析液/固（凝固、结晶）和固/固（含热处理）相变、铸件组织（相组成物和晶粒形貌及尺寸）、应力和变形以及金属模具寿命等，为工艺设计、模具设计和过程控制的调整与优化提供定量或半定量依据。

图1-1是某砂型铸件的充型过程模拟，根据对液态金属流动状况和液面变化的观察分析，可以了解是否有冲砂、裹气、充型不足等缺陷产生。

图1-2是模拟铸件的冷却凝固过程。通过观察，可以了解铸液的凝固顺序，发现缩孔、缩松、冷隔等铸造缺陷的潜在部位。

图1-3是过冷度对Al-13Si铸造合金结晶组织的影响。由图可见，随凝固时合金液的过冷度ΔT增加，试样截面铸态组织由粗大的柱状晶转变成细小的纯等轴晶。该模拟结果对于控制铸件结晶的工艺条件、获取满意的微观组织及使用性能很有帮助。

（2）材料塑性成形

材料塑性成形的工艺方法很多，包括冲压、挤压、锻造、轧制、拉拔等。目前，数值模拟在金属板料冲压、金属块料锻造、挤压和轧制领域的应用较为成功。通过数值仿真实验，可以直观展示金属塑性成形过程中的材料流动、加工硬化、应力应变、回弹变形、动/静态再结晶、热处理相变等物理现象，揭示材料内部的微观组织形貌及其变化，考察对材料成形质量产生影响的温度、摩擦、模面结构、界面约束、加载速度等工艺条件，预测潜在的材料成形缺陷以及对应的工模具寿命。

图1-4是利用数值模拟软件仿真汽车覆盖件和骨架件的拉深过程（最终结果截图）。透过对未充分拉深区、起皱区和破裂区的分析，可以判断制件拉深成形质量，并结合材料成形极限图（FLD）了解制件内的应变状况及其分布，预测给定工艺条件（包括模面工艺结构、冲压速度、压边力等）下产生缺陷的趋势。

图1-5是对材料冲压成形件中已产生缺陷的仿真与再现，以便进一步定量分析和揭示产生缺陷的原因。

图1-6是模拟钢轨的辊压成形过程。

图1-7是十字接头和伞形齿轮多工步精密模锻成形的仿真实例。在伞齿轮成形数值模拟实验中，根据锻件的轴对称结构特点，采用了对象简化分析技术（即先任意截取其中一个齿进行建模和求解，然后再按约束关系将该齿的分析结果移植到整个齿轮），以提高求解计算速度。

（3）材料黏流态成形

材料黏流态成形主要指塑料熔体在黏流状态下的注射、挤出等成形。目前，材料黏流态成形数值模拟技术普遍应用在塑料注射成形领域，涉及的成形工艺方法有普通流道注射、热流道注射、气辅注射、双料注射、反应注射、微发泡注射和芯片注射封装等。通过对材料注射成形的数值模拟，了解成形方案、工艺参数、产品形状、模具结构、浇注系统、冷却水道等因素对材料成形质量和模具寿命的影响；并且在物理实验的支撑下，研究新材料（或不同填料成分）的注射成形性能、熔体在模腔中的流动和冷却规律、塑件分子取向、应力分布、翘曲变形等物理现象及其起因等。

图1-8是塑料熔体多腔注射的流道平衡分析。根据模拟分析结果，调整和优化各分流道截面尺寸，以确保熔体能够在同一时间内充满各个模腔。

图1-9是某电视机前罩的气辅注射成形模拟实例，通过观察分析模拟结果，确认气道设置是否合理、气辅参数是否满足成形质量要求。

（4）材料焊接成形

材料焊接成形是指利用焊接工艺方法将预先制备好的单个零部件或毛坯拼接（焊装）成产品或半成品（例如：用于钣金冲压的拼焊板）的过程。利用数值模拟技术分析焊接热过程（包括焊接热源的大小与分布、温度变化对热物理性能的影响、焊接熔池中的流体动力与传热、传质等）、焊接冶金过程（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）、焊接应力应变（包括动态应力应变、残余应力与残余变形、拘束度与拘束应力等），以及对焊接结构的完整性进行评定（包括焊接接头的应力分布、焊接构件的断裂力学分析、疲劳裂纹的扩展、残余应力对脆断的影响、焊缝金属和热影响区对焊接构件性能的影响等）。

图1-10是利用数值模拟技术对某摩托车轮圈焊接过程进行仿真的最终结果（部分截图）。目的是评价产品的焊接变形、最小化残余应力，同时了解制件几何结构、材料特性和工艺参数对焊接质量的影响。

图1-11（a）是利用焊接方法组装产品的实例，图中被装配的各个零件均属钣金成形制品（当然也可是机械加工、铸造、锻造等制品）。图1-11（b）是对图1-11（a）实例的焊装应力进行数值模拟的结果，根据该结果可以预测焊接变形和焊接裂纹等缺陷。