塑性加工成形中的各種現(xiàn)象及其規(guī)律是十分復(fù)雜的，這使得塑性加工成形工藝和模具設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)精確的理論分析手段，主要依據(jù)工程師長期積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證。借助于有限元模擬方法，可以獲得對(duì)于塑性加工成形過程規(guī)律的認(rèn)識(shí)，用較小的代價(jià)、在較短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)的或可行的設(shè)計(jì)方案。有限元模擬對(duì)材料加工是強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的工具，可以分析預(yù)測(cè)成形期間零件形狀的變化、坯料的變形規(guī)律、最終應(yīng)變分布、溫度場(chǎng)分布、全場(chǎng)應(yīng)力與應(yīng)變分布、組織性能變化規(guī)律、工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度的影響規(guī)律以及缺陷形成區(qū)域等，并可在零件生產(chǎn)前最大限度地優(yōu)化工藝參數(shù)，加快生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，所有這些對(duì)于成功地成形復(fù)雜形狀的零件并減少成形時(shí)間是至關(guān)重要的。采用有限元技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑性成形全過程的參數(shù)監(jiān)控與預(yù)測(cè)，進(jìn)行材料的流動(dòng)變形規(guī)律與各種工藝缺陷的變化規(guī)律研究，作為工藝參數(shù)優(yōu)化與選擇的依據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)起到指導(dǎo)和預(yù)測(cè)的作用，為提高塑性加工生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，使工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制擺脫人工試錯(cuò)法，走向科學(xué)化和智能化。

塑性加工成形模擬技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，國際上已經(jīng)出現(xiàn)了一批塑性成形模擬軟件。其中，大型有限元分析軟件MSC.MARC是可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過程的工藝成形專用軟件，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有高度組合的非線性體成形過程的全自動(dòng)數(shù)值模擬，MSC.MARC為滿足特殊用戶的二次開發(fā)需求，提供了友好的用戶開發(fā)環(huán)境，為塑性加工成形二次開發(fā)設(shè)計(jì)提供了開發(fā)平臺(tái)。

本書通過各種典型材料加工案例，詳細(xì)介紹MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用及其相關(guān)的技術(shù)問題。全書以應(yīng)用為主，理論為輔，一方面強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)MSC.MARC有限元軟件基本應(yīng)用能力，另一方面又強(qiáng)調(diào)提高應(yīng)用MSC.MARC有限元軟件計(jì)算結(jié)果分析問題、解決問題的能力。

本書所有案例皆來自實(shí)際工程項(xiàng)目，不僅包括具體的建模過程，還包括具體的模擬結(jié)果分析與技術(shù)處理。全書共分13章，第1章由張士宏（中國科學(xué)院金屬研究所）編寫，介紹有限元技術(shù)在材料加工工程中的應(yīng)用狀況。第2章由岳峰麗（沈陽理工大學(xué)）編寫，介紹有限元法的一些基本原理與關(guān)鍵技術(shù)。第3章由李毅波（中南大學(xué)博士生，MSC上海辦事處工程師）編寫，介紹MSC.MARC在材料加工過程中的常用技術(shù)。第4章由劉勁松（沈陽理工大學(xué)）、岳峰麗編寫，介紹異型結(jié)構(gòu)件增量彎曲成形有限元模擬和一些MSC.MARC軟件的基本操作技能。第5章由肖寒（大連理工大學(xué)與中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生）、劉勁松編寫，介紹整體壁板滾彎成形有限元模擬。第6章由王祺（沈陽理工大學(xué)與中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生）、劉勁松、肖寒編寫，介紹鎂合金型材彎曲成形有限元模擬。第7章由李毅波編寫，介紹金屬軋制成形的有限元模擬。第8章由梁海城（沈陽理工大學(xué)，東北大學(xué)博士研究生）編寫，介紹鎂合金板材異步軋制數(shù)值模擬。第9章由李冰（大連交通大學(xué)）編寫，介紹三輥行星軋制成形有限元模擬。第10章由陳仕清（大連理工大學(xué)與中國科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生）、袁安營編寫，介紹管材液壓成形有限元分析實(shí)例。第11章由張海燕（中國科學(xué)院金屬研究所博士研究生）編寫，介紹高溫合金開坯鍛造過程中組織演變的有限元模擬。第12章由肖寒、潘進(jìn)兵、劉勁松編寫，介紹銅盤管退火過程溫度場(chǎng)有限元模擬。第13章由林濤（中國科學(xué)院金屬研究所博士研究生）編寫，介紹管道對(duì)接焊有限元模擬。全書由劉勁松負(fù)責(zé)統(tǒng)稿，肖寒負(fù)責(zé)校對(duì)。讀者通過本書的學(xué)習(xí)，可以掌握有限元法解決實(shí)際工程問題的關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)會(huì)應(yīng)用本專業(yè)知識(shí)分析問題、解決問題，將理論分析與工程實(shí)踐緊密銜接在一起。本書附帶所有案例的模型文件，讀者可以在中國水利水電出版社網(wǎng)站及萬水書苑（http://www.waterpub.com.cn/softdown/及http://www.hzxbc.cn）下載。

本書既適合作為材料加工工程專業(yè)的本科生與研究生教材，也可作為相關(guān)企事業(yè)工程技術(shù)人員應(yīng)用參考書，還可作為MSC.MARC有限元分析軟件的高級(jí)培訓(xùn)教材。

本書的編寫得到了MSC公司的支持與鼓勵(lì)，特別是北京MSC辦事處的陳火紅先生對(duì)本書的編寫與出版給予了大力幫助，在此致以由衷的感謝！同時(shí)，還應(yīng)感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50474059）的支持以及在本書編寫過程中給予作者支持與關(guān)心的老師和同事們！

成書之際，正值中國科學(xué)院金屬研究所塑性加工先進(jìn)技術(shù)研究組建組十周年，這個(gè)小組在張士宏研究員的帶領(lǐng)下日益壯大，在材料加工領(lǐng)域作了大量的研究工作，取得了很多科研成果，培養(yǎng)了多名博士、碩士。參加本書編寫的人員基本上都是來自這個(gè)組，書中的大部分案例也都是這個(gè)組近些年來的研究項(xiàng)目與成果。在此謹(jǐn)將此書作為中國科學(xué)院金屬研究所塑性加工先進(jìn)技術(shù)研究組組慶十周年的一份獻(xiàn)禮，祝張士宏老師和他的團(tuán)隊(duì)蒸蒸日上，不斷進(jìn)步。

由于編者水平有限，書中缺點(diǎn)、錯(cuò)誤在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

劉勁松

2010年1月于沈陽

前言

第1章 緒論 1
1.1 有限元法的特點(diǎn)與發(fā)展過程 1
1.2 有限元法在塑性加工領(lǐng)域的應(yīng)用 1
1.3 有限元法的基本問題 2
1.4 有限元法的發(fā)展趨勢(shì) 4
1.5 MSC.Marc有限元軟件的特點(diǎn) 6
第2章 有限元法的基本理論 7
2.1 有限元法概述 7
2.1.1 有限元法的基本思想 7
2.1.2 有限元法分析計(jì)算的思路和做法 7
2.1.3 有限元分析的基本方法 8
2.1.4 學(xué)習(xí)有限元法所需的理論基礎(chǔ) 11
2.2 塑性有限元法分類 11
2.2.1 彈塑性有限元法 11
2.2.2 剛塑性有限元法 13
2.3 非線性方程組的數(shù)值解法 15
第3章 MSC.MARC在材料加工過程中的一些常用技術(shù) 18
3.1 變形的描述 18
3.1.1 定義 18
3.1.2 Eulerian坐標(biāo)和Lagrangian坐標(biāo) 18
3.1.3 Eulerian網(wǎng)格和Lagrangian網(wǎng)格 19
3.1.4 Lagrangian網(wǎng)格畸變的處理方式 22
3.2 局部自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)劃分 22
3.2.1 自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)劃分準(zhǔn)則 22
3.2.2 局部自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)劃分的數(shù)量 24
3.2.3 局部網(wǎng)格自適應(yīng)實(shí)例分析 25
3.3 網(wǎng)格重劃分 27
3.3.1 網(wǎng)格重劃分器 27
3.3.2 網(wǎng)格重劃分準(zhǔn)則 28
3.3.3 網(wǎng)格重劃分?jǐn)?shù)量 28
3.3.4 網(wǎng)格重劃分實(shí)例分析 28
3.4 預(yù)狀態(tài)分析 31
3.4.1 預(yù)狀態(tài)分析的基本功能 31
3.4.2 預(yù)狀態(tài)分析應(yīng)用實(shí)例 31
3.5 重啟動(dòng)分析 36
3.5.1 重啟動(dòng)分析的基本步驟 37
3.5.2 重啟動(dòng)分析實(shí)例 37
3.6 熱－結(jié)構(gòu)耦合分析 39
3.6.1 熱－結(jié)構(gòu)耦合分析的基本概念 39
3.6.2 熱－結(jié)構(gòu)耦合分析的基本過程 41
3.7 小結(jié) 42
第4章 異型結(jié)構(gòu)件增量彎曲成形有限元模擬 43
4.1 引言 43
4.2 增量彎曲成形原理 43
4.3 異型結(jié)構(gòu)件有限元模型的建立 44
4.3.1 幾何模型 44
4.3.2 單元網(wǎng)格劃分 45
4.3.3 定義材料特性 55
4.3.4 定義接觸條件 57
4.3.5 定義邊界條件 62
4.3.6 定義載荷工況 63
4.3.7 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 66
4.4 單筋條結(jié)構(gòu)件變形模擬結(jié)果分析 70
4.4.1 單筋條結(jié)構(gòu)件回彈分析 70
4.4.2 應(yīng)變分布 75
4.5 單筋結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)模擬結(jié)果分析 77
4.5.1 I形單筋結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)分析 77
4.5.2 T形單筋結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)分析 80
4.5.3 J形單筋結(jié)構(gòu)件失穩(wěn)分析 80
4.6 單筋結(jié)構(gòu)件翹曲模擬結(jié)果分析 82
4.6.1 I形單筋結(jié)構(gòu)件翹曲分析 82
4.6.2 T形單筋結(jié)構(gòu)件翹曲分析 84
4.6.3 J形單筋結(jié)構(gòu)件翹曲分析 86
4.7 有限元模擬對(duì)工程的指導(dǎo)作用 86
4.7.1 特征直線方程的建立 87
4.7.2 自適應(yīng)增量成形工藝知識(shí)庫總體結(jié)構(gòu) 89
4.7.3 自適應(yīng)增量成形工藝知識(shí)庫參數(shù)獲取方法 90
4.7.4 應(yīng)用與驗(yàn)證 91
4.8 小結(jié) 91
第5章 整體壁板滾彎成形有限元模擬 93
5.1 引言 93
5.2 滾彎成形原理 93
5.3 滾彎成形有限元模型的建立 94
5.3.1 幾何模型 94
5.3.2 單元網(wǎng)格劃分 94
5.3.3 定義材料特性 105
5.3.4 定義接觸條件 107
5.3.5 定義邊界條件 111
5.3.6 定義載荷工況 114
5.3.7 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 115
5.4 整體壁板滾彎成形模擬結(jié)果分析 116
5.4.1 壁板應(yīng)力分析 116
5.4.2 壁板應(yīng)變分析 126
5.4.3 三輥?zhàn)饔昧Ψ治?133
5.4.4 回彈分析 134
5.5 小結(jié) 136
第6章 鎂合金型材繞彎成形有限元模擬 137
6.1 引言 137
6.2 繞彎成形原理 137
6.3 材料性能曲線測(cè)定 139
6.3.1 材料性能測(cè)定 139
6.3.2 材料的物理屬性 140
6.4 繞彎成形有限元模型的建立 142
6.4.1 幾何模型 142
6.4.2 單元網(wǎng)格劃分 146
6.4.3 初始條件 150
6.4.4 邊界條件 151
6.4.5 模具加載條件 153
6.4.6 材料的物理屬性 157
6.4.7 定義工況 163
6.4.8 定義作業(yè)參數(shù) 165
6.4.9 求解 167
6.5 鎂合金型材繞彎成形模擬結(jié)果分析 167
6.5.1 回彈分析 167
6.5.2 溫度對(duì)成形的影響 176
6.5.3 成形質(zhì)量分析 179
6.5.4 創(chuàng)建動(dòng)畫 184
6.6 小結(jié) 186
第7章 金屬軋制成形的有限元模擬 188
7.1 材料的變形抗力 188
7.1.1 冷軋變形抗力模型 188
7.1.2 熱軋變形抗力模型 189
7.1.3 MARC中對(duì)變形抗力模型的處理方式 190
7.2 軋制力能參數(shù)的計(jì)算 191
7.2.1 軋制力的計(jì)算及影響因素 191
7.2.2 MARC計(jì)算軋制力的方式 193
7.3 板厚、板形、寬展的計(jì)算 194
7.3.1 板厚 194
7.3.2 板形 194
7.3.3 寬展 196
7.3.4 MARC計(jì)算板厚、板形的方法 198
7.4 軋制過程溫度的計(jì)算 199
7.4.1 熱軋過程的基本傳熱方程與邊界條件 199
7.4.2 熱軋過程熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的邊界條件 199
7.4.3 熱軋過程熱－結(jié)構(gòu)耦合在MARC中的實(shí)現(xiàn) 200
7.5 軋制成形分析應(yīng)用實(shí)例 200
7.5.1 案例說明 200
7.5.2 模型的簡(jiǎn)化 202
7.5.3 第一道次軋制仿真 202
7.5.4 第二道次軋制仿真 216
7.5.5 軋制過程的三維熱－結(jié)構(gòu)耦合分析 224
7.6 小結(jié) 234
第8章 鎂合金板材異步軋制數(shù)值模擬 235
8.1 引言 235
8.2 板材異步軋制基本原理 235
8.3 板材異步軋制有限元模型的建立 236
8.3.1 幾何模型建立 236
8.3.2 單元網(wǎng)格劃分 236
8.3.3 材料特性定義 248
8.3.4 接觸條件定義 251
8.3.5 初始條件定義 256
8.3.6 載荷工況定義 256
8.3.7 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 258
8.4 鎂合金板材異步軋制模擬結(jié)果分析 260
8.4.1 板材異步軋制過程金屬流動(dòng)分析 261
8.4.2 板材異步軋制等效應(yīng)變場(chǎng)分布 262
8.4.3 板材異步軋制等效應(yīng)力場(chǎng)分布 263
8.4.4 板材異步軋制溫度場(chǎng)分布 264
8.5 不同工藝參數(shù)對(duì)板材異步軋制過程的影響 264
8.5.1 不同軋輥轉(zhuǎn)速比對(duì)異步軋制的影響 264
8.5.2 摩擦因素對(duì)板材異步軋制的影響 268
8.5.3 坯料溫度對(duì)板材異步軋制的影響 273
8.5.4 軋輥溫度對(duì)板材異步軋制的影響 276
8.5.5 壓下率對(duì)板材異步軋制的影響 278
8.6 小結(jié) 283
第9章 三輥行星軋制成形有限元模擬 284
9.1 引言 284
9.2 三輥行星軋制成形基本原理 284
9.3 旋軋成形有限元模型的建立 285
9.3.1 建立軋輥芯棒小車坯料有限元模型 285
9.3.2 幾何參數(shù)的定義 293
9.3.3 材料特性的定義 294
9.3.4 連接控制的定義 295
9.3.5 接觸體和接觸表的定義 296
9.3.6 初始條件的確定 305
9.3.7 邊界條件的定義 305
9.3.8 工況的定義 307
9.3.9 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 309
9.4 旋軋成形變形規(guī)律模擬結(jié)果分析 311
9.4.1 坯料三角形效應(yīng)分析 311
9.4.2 坯料受力特征分析 313
9.4.3 運(yùn)動(dòng)軌跡分析 314
9.4.4 接觸特征規(guī)律 316
9.4.5 坯料縱向運(yùn)動(dòng)的變形段 317
9.5 旋軋成形溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析 318
9.5.1 旋軋成形過程的溫度場(chǎng)分布 318
9.5.2 坯料上一點(diǎn)的溫度變化 319
9.5.3 坯料橫切面溫度場(chǎng)分布 320
9.5.4 坯料切面圓周溫度變化 322
9.5.5 旋軋成形應(yīng)變速率特點(diǎn)分析 323
9.6 小結(jié) 324
第10章 管材液壓成形有限元分析實(shí)例 325
10.1 引言 325
10.2 管材液壓成形原理 325
10.3 管材液壓成形有限元模型的建立 326
10.3.1 幾何模型 326
10.3.2 單元網(wǎng)格的劃分 332
10.3.3 材料特性的定義 336
10.3.4 幾何特性的定義 339
10.3.5 接觸條件的定義 341
10.3.6 邊界條件的定義 345
10.3.7 載荷工況的定義 346
10.3.8 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 347
10.4 管材液壓成形模擬結(jié)果分析 351
10.4.1 壁厚分布 352
10.4.2 應(yīng)變分布 354
10.5 小結(jié) 357
第11章 渦輪盤閉模鍛造中組織演變的有限元模擬 358
11.1 概述 358
11.2 組織演變的有限元計(jì)算 358
11.2.1 組織演變模型 358
11.2.2 用戶子程序二次開發(fā) 359
11.3 有限元模型的建立 364
11.3.1 幾何模型 365
11.3.2 材料模型 377
11.3.3 接觸條件 382
11.3.4 初始條件 386
11.3.5 網(wǎng)格重劃分 386
11.3.6 定義工況 387
11.3.7 定義作業(yè)參數(shù) 389
11.3.8 提交作業(yè) 392
11.4 結(jié)果分析 392
11.4.1 溫度場(chǎng) 393
11.4.2 等效應(yīng)變場(chǎng) 394
11.4.3 流線場(chǎng) 395
11.4.4 組織場(chǎng) 396
11.5 小結(jié) 398
第12章 銅盤管退火過程溫度場(chǎng)有限元模擬 399
12.1 引言 399
12.2 銅盤管退火工藝過程 399
12.2.1 銅盤管退火工藝概述 399
12.2.2 銅盤管退火過程的傳熱分析 400
12.2.3 銅盤管退火過程傳熱學(xué)理論 401
12.2.4 銅盤管退火過程關(guān)鍵參數(shù)分析 403
12.3 銅盤管退火溫度場(chǎng)有限元模型的建立 404
12.3.1 幾何模型 404
12.3.2 單元網(wǎng)格劃分 405
12.3.3 材料特性定義 422
12.3.4 初始條件的定義 428
12.3.5 邊界條件的定義 429
12.3.6 載荷工況的定義 444
12.3.7 定義作業(yè)參數(shù)并提交運(yùn)行 445
12.4 銅盤管退火溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析 446
12.4.1 銅盤管退火溫度場(chǎng)云圖 446
12.4.2 銅盤管熱點(diǎn)與冷點(diǎn)溫度演變歷史 449
12.4.3 銅盤管徑向和軸向溫度分布 450
12.4.4 分析與討論 453
12.5 小結(jié) 454
第13章 管道對(duì)接焊有限元模擬 455
13.1 引言 455
13.2 熱－力耦合有限元法 455
13.2.1 熱傳導(dǎo)問題的控制方程 455
13.2.2 熱傳導(dǎo)問題的有限元描述 456
13.2.3 熱應(yīng)力問題的有限元描述 457
13.3 管道焊接模擬前處理 458
13.3.1 網(wǎng)格劃分 459
13.3.2 定義幾何屬性 467
13.3.3 定義材料屬性 467
13.3.4 設(shè)置焊接路徑和填充焊料 469
13.3.5 添加邊界條件和初始條件 472
13.3.6 定義工況 478
13.3.7 定義作業(yè)參數(shù) 480
13.4 后處理結(jié)果分析 482
13.4.1 焊接溫度場(chǎng)分析 482
13.4.2 管道焊接殘余應(yīng)力 486
13.4.3 管道焊后變形分析 489
13.5 小結(jié) 490
參考文獻(xiàn) 491

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