1、工作报告之数值模拟开题报告数值模拟开题报告【篇一：开题报告】 本科毕业设计（论文）开题报告 题 目：az21b镁合金等温挤压成形电池壳数值模拟及模具设 计 院 （系） 材料科学工程学院 专 业材料成型及控制工程 学 生 王雪 学 号 110810205 班 号1108102 指导教师 开题报告日期 哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院 二零一三年制1. 课题背景及研究的意义 1.1 课题背景 自从十九世纪末以来,随着社会和经济的快速发展,人类文明的快速进步,金属材料的消耗飞速的增加,很多金属矿产资源正逐渐趋于枯竭,如铜、锌、铅等矿藏的开采只能维持几十年,铝、铁等矿藏也只能维持100300年
2、。镁是地球上储量最大的元素之一,如陆地上的白云石、湖泊中的盐湖,海洋中也有大量的镁,相比其他金属材料可谓取之不尽、用之不竭1。而且自从21世纪以来,镁合金材料生产的成本逐渐降低,镁合金工件的成形工艺和材料质量很大的提高2-3,同时,很多国家对汽车领域的能源消耗、废气排放的限制,镁合金凭借轻量化，比强度高、减震性能优越以及可以回收等优点从传统材料中脱颖而出,被誉为二十一世纪最具有开发和应用潜能的“绿色材料”4。随着很多矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富日益受到重视，刺激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料的研究已成为世界性的热点。目前，镁合金应用较多的是铸造成形，而工业上应用较为成熟的主要是压铸
3、成形。虽然镁合金具有优异的压铸性能，但其设备成本高，原料利用率低，能源消耗多，铸型寿命较短，铸件综合力学性能较差，且因镁遇水剧烈反应，在高温下还可能爆炸，所以对其安全性要求相当高。塑性成形能解决压铸成形中所存在的这些问题，所以开发先进的镁合金塑性成形工艺具有很好的工程应用价值。 1.2 研究的目的及意义 1.2.1研究目的 针对镁是密排六方结构，室温下塑性差，很难进行塑性成形，及塑性成形中的加热效率，生产效率等问题，镁合金的密排六方结构导致镁合金的塑性变形能力差,在塑性变形过程中如果控制不好温度、挤压速度等很容易开裂,故目前大部分镁合金的成形工艺均为铸造。但是铸造工艺成形的镁合金晶粒粗大,组织
4、不均匀,再加上铸造的先天缺陷气孔、夹杂、缩松等,导致铸造镁合金的性能达不到很多零件的要求,很大程度上缩小了镁合金的应用范围。本课题通过deform软件对镁合金的材料性能、模具结构，加工条件等进行研究分析，利用等温挤压成形工艺（以az21b镁合金成形电池壳为载体），进而获得较理想的塑性成形方案及模具。 1.2.2研究意义 进入二十一世纪以来,随着社会的快速发展以及人口增加等,人们面临着来自于环境污染、资源枯竭、能源消耗方面的问题越来越严重。而材料作为国民经济的支柱产业,肩负着巨大的重任。在满足甚至超越之前材料的基础上,如何以更低的能耗,更少的资源来生产出性能更加优异的新材料来替代之前的材料,或者
5、运用各种方法来控制材料的成形工艺使得材料的性能更加优异成为现在课题研究的主要方向。我国是镁资源丰富国,居世界第一,原镁产量、出口量亦居世界第一,但出口的镁产品80%作为初级原材料出口,国内镁及镁合金深加工应用规模及技术相对薄弱6。国内镁产业存在的最主要表现是镁产品原创性的研究成果缺乏,目前出口的所有镁合金锭几乎全部按照国外的牌号生产,而且在镁合金产品加工制备中的关键技术和装备大部分依靠进口。因此,如何开展镁合金产业化成套技术及装备的研制开发,对镁合金产品的生产制备工艺进行研究,对将我国的资源优势转化为技术优势、经济优势具有重要的意义。 此外塑性成形技术中,模具的投入资金都比较大,但是一次两次实
6、验不仅需要进行模具、坯料的加热而且关键不能达到预期的要求,这样还得改工艺,进而改进模具,对于大型模具的改进一般都得13个月,无形的增加生产周期和生产投入。计算机的数值模拟技的位移、金属流动方向、速度、应力应变曲线等都可以直观的呈现在设计人员眼前,挤压过程中的缺陷很容易发现进而改进。最大的挤压应力也可以模拟出来,对于复杂件来说就不用复杂的计算公式,最后再实际生产试验,这样就无形中提高了设计的效率、节约了大量资金1112。 本文针对变形镁合金产品生产工艺的难点,研究一种镁合金等温挤压成形的工艺方法,通过各种材料手段对成形的形状较复杂,组织性能,机械强度良好的镁合金零件的组织性能分析。探索等温挤压成
7、形过程中材料塑性成形机制的作用规律,为镁合金塑性变形提供一定的设计依据和工艺指导。 2. 国内外在该方向的研究现状及分析 2.1国内现状及分析 荷兰代尔夫特理工大学在铝合金挤压过程的数值模拟方面做了较多的研究，得出了挤压速度、挤压比、温度、挤压力分布等工艺参数之间的动态关系。同时也提出了许多实现等温挤压的挤压速度模型，最终在实际挤压过程中得到应用，取得了很好的等温挤压控制效果12。1995年，丹麦的alu-mac公司开发了一个名为optalex的闭环等温控制系统，该系统设置了红外线高温测温仪，并带有反馈控制系统，采用均匀加热坯料10。随后，美国的wells铝业公司在其挤压车间安装使用了此套系统
8、。美国的 werner公司也相继安装了optalex系统 11。大大的提高了挤压生产效率。型材的形状、尺寸公差更容易控制，型材的强度得到提高，冶金组织与性能更加均匀，且对其可控性更强。由于系统存储着挤压型材的优化参数值，使得挤压机调整时间大大减少，系统未造成模具使用上的任何问题。目前，世界上约有20多套optalex系统正在运行，所有系统都使生产率高于大约了5%，平均生产率提高了8%10%，废料减少了23%14。由德国 sms 公司开发的cadex系统，是基于挤压热-力耦合仿真的等温挤压系统。cadex 系统被用于该公司的挤压生产中，早期的cadex系统，不带有出口温度的测量装置，完全基于挤压
9、热-力耦合仿真的结果。然后，sms公司对cadex系统进行了改进，开发出了cadex2系统。该系统装设了光学高温测温仪，用于监测坯料的入口与出口温度，还装设了一套数据采集系统，用于记录挤压力、挤压速度等参数，系统用于挤压均匀加热的坯料与梯温加热的坯料。据德国sapa铝加工厂的统计，在采用cadex系统3个月内，对生产批量大于100kg的型材，生产率提高了9%13。 2.2国外现状及分析 2.2.1镁合金的现状 作为实用金属中最轻的一种，镁合金因其具有优良的性能和巨大的开发应用潜力，是21世纪及很长一段时期内最具竞争力的一种材料。但是，目前镁合金机械零件的制造以压铸和注射成型为主，压力加工很少，
10、使其使用受到限制。此外，压铸应用范围最广，但负面作用最大；粉末冶金环境影响较小，但应用范围有限。挤压成型是固态成型的最好替代工艺。其它工艺跟粉末冶金一样，虽然环境影响较小，但应用范围有限。 2.2.2 镁合金挤压的现状 程俊伟等4选择az31变形镁合金，设计了实心棒材、矩形和圆形截面薄壁空心型材试样，对坯料加热、模具预热、润滑剂、挤压比、挤压速度及挤压力等工艺问题与工艺参数，进行了系统的试验研究，总结了成形规律和确定工艺参数的方法。中科院金属研究所的王忠堂等也做了相似的研究。 翟秋亚等9采用500t挤压试验研究了挤压变形对az31镁合金组织和性能的影响，表明，随挤压比的增大，挤压显著地细化镁合
11、金晶粒并提高力学性能。李良福以“全苏冶金工程科学研究所”研制的在立式挤压机上热挤压镁合金管子的新工艺为例，介绍了这种新工艺的原理和优点。该工艺是基于在压力机的一次工作行程内，毛坯的扩径工序和管子挤压工序相重合，以减少工艺设备，降低劳动量。 刘长瑞等通过挤压制取镁合金az31镁合金板坯，常温下轧制，研究其塑性变形行为，考察了镁合金 az31 组织和轧制工艺参数对其常温下塑性变形能力的影响。结果表明，晶粒度和道次加工率是影响镁合金az31常温塑性变形能力的重要因素。 周海涛等8对az31镁合金t型材挤压成形进行了工艺试验研究，确定了t型材模具各工作带尺寸及限流措施。分析了t型材各部位的力学性能。结
12、果表明，在挤压比较大部位，屈服强度和抗拉强度最高分别为117mpa和254mpa,伸长率为16%。晶粒细小和织构强度提高是屈服强度和抗拉强度增大的原因。高质量型材必须采用流线型模挤压。 3. 研究内容及拟解决的关键问题 3.1研究内容 本文以az21b镁为研究对象，以成形电池壳为载体，通过deform软件对成形过程进行模拟分析，进而获得较理想的塑性成形工艺及模具方案。 (1)综合考虑az21b镁合金的性能、零件的尺寸及性能要求、材料利用率及生产效率等通过计算来初步制定工艺方案； (2)根据方案制定几何模型和材料模型； (3)利用计算机数值模拟技术对制定的工艺进行模拟,其中包括挤压力、挤压温度、
13、挤压速度以及摩擦系数的确定,分析金属的流动规律等； (4)根据数值模拟结果，完善工艺方案及模具设计； 3.2拟解决的关键问题 (1)此实验室塑性变形量较大，模拟过程中容易产生网格畸变，如何进行变形区网格细分，使模拟结果更加准确，这是本次课题研究的关键问题； (2)此次实验中综合材料各方面性能确定出合理的坯料温度、挤压速度、模具预热温度、挤压比、润滑剂等； 4. 拟采取的研究方法和技术路线、进度安排、预期达到的目标 4.1拟采取的研究方法和技术路线 4.1.1研究方法 (1）通过excel等软件计算，用pro/e等绘图软件初步设计电池壳的模具； (2）通过pro/e建立几何模型，再利用defor
14、m软件进行几何模拟； (3）利用deform软件进行模拟，分析材料的性能变化，最终确定最佳的实验条件； (4）根据实验结果，再利用pro/e重新确立模具方案； 具体为利用deform软件进行数值计算。通过模拟，能够确定塑性成形过程中各个阶段所需的变形功和载荷，获得塑性加工过程中工件和模具的位移场、速度场、应变场、应力场和温度场，预测工件的成形状况、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布等 ；预测工件微观组织和性能的变化，如组织结构的演化，微观损伤的形核、长大和聚合过程等。利用计算机图形使他们能通过虚拟的塑性加工过程检验工件的最终形状、尺寸是否符合设计要求，是否会产生折叠等外部缺陷、疏松和裂纹等内
15、部缺陷;根据微观组织的变化预测产品的使用性能;还能根据模具的受力校核其强度、刚度，预测模具的磨损，确定压力机压下量的补偿值等。在对数值模拟结果进行分析的基础上，制订了镁合金薄壁管材的挤压成形工艺，并进行了模具设计，在模具结构设计方面着重考虑了壁厚差的控制问题。 4.1.2技术路线【篇二：开题报告】 题目：trt大型透平机焊接应力及变形有限元模拟分析 开题报告 一 本课题国内外研究动态以及选题的依据和意义 1.1 选题的背景 焊接是通过加热或加压，或者两者并用，并且用或不用填充材料，是工件达到结合的一种工艺方法。由于焊接方法经济、灵活，能简化结构的构造细节，节约成本，提高生产效率，改善劳动条件。
16、因此，在船舶、汽车、桥梁、锅炉、大型机械以及石油管道、大型厂房、高层建筑等重要结构，无不用焊接结构。但是焊接结构有它自己的特点，只有正确认识它的特点，才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊接结构，避免焊接结构失效的悲剧发生。 随着现在的设备都大型化、钢结构建筑的现代制造业发展趋势，焊接在材料加工中所占比例日益加大。但焊接是一涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接时会设计传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的镶边、焊接应力和变形等现象。焊接过程的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响它的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时的热输入，
17、焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形（焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲、蠕变）。焊后残余应力会影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时，必须充分考虑焊接应力和变形特点，结合对蠕变的分析设计合理的热处理工艺。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产效率的主要因素之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场合应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。 传统的焊接温度场和应力预测依赖于实验和统计基础上的经验公式。但仅仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大，且没有前瞻性，不能全
18、面预测和分析焊接对整个机构的力学特性的影响，客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时，往往采用实验手段作为基本方法，但大量的实验增加了生产成本，耗费了人力物力，尤其是军工、航天、潜艇、核反应等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大的经济损失，而数值模拟将发挥起独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展为数值模拟提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。 1.2 焊接应力数值模拟的国内外研究概况 焊接是一个复杂的过程，涉及多种物理参数以及它们之间的相互影响对焊接残余应力分布和变形
19、影响很大。早期焊接应力和变形的研究主要由实验得出较多的工程应用的经验公式，用来解决简单问题。焊接热力学模拟理论不断发展，有限元方法和计算机技术的飞速发展，也一定程度的推动了焊接数值模拟技术的研究56。20世纪60年代，国外开始焊接应力应变的数值模拟研究，且获得一些成果。国内对于焊接残余应力的数值模拟开始比较晚，但发展迅速7。 1.2.1 国外对焊接应力数值模拟的研究 1961年，tall等人首次利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一条沿板条中线进行堆焊的热应力以为分析程序8。 20世纪70年代初，有限元技术的引入和计算机技术的发展，极大的促进了焊接应力的数值模拟研究，日本unda y等人首先
20、以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热-弹塑性分析理论，道出了分析焊接应力应变过程的变大时，从而使对复杂的动态焊接应力分析实现。1973粘，vaidyanathan利用板壳理论，在分析平板对接盈利的基础上，提出了薄壁管对接环缝残余应力的计算方法，且将计算结果与实验结果进行比较，结果显示，计算值与试验值吻合。但该法是对于二维应力状态模型得到计算公式，对于厚壁管道的三维应力状态不再适用。1978年，rybicki等人将管道对接环焊时的焊接应力进行了简化，即认为整个圆周上的焊接时同时作用在管道上的，将三维焊接应力问题简化为轴对称问题9。 随着对热-弹塑性理论的深刻认识和有限元方法
21、的广泛应用，德国学者argyris首次提出用弹-粘塑性组成的方程来分析焊接焊接应力。随后加拿大的chidiac等人对assi308不锈钢材料分析了由焊接时引起的晶体里生长规律，并用热-弹粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应力，结果发现纵向应力达到屈服应力值，而横向应力约为纵向应力的一半。1997年，l e lindgren等用三维热-力耦合的有限元方法模拟了大型铜罐电子束焊接接头残余应力，并用一种新型自动重新划分网格的单元，结果发现，这种新型网格单元在不影响计算精度的前提下可以节省60%放入cpu时间。同时这种跟随热源应懂得更精密的有限元网格可以更好地体现强烈的非线性热-力效应。近来英国焊接
22、研究所开发了一个“结构变形预测系统”（sdps），可以用来预测复杂结构的焊接变形891011。 1.2.2 国内对焊接应力数值模拟技术的研究发展 国内对焊接残余应力数值模拟的研究始于20世纪80年代，西交大唐慕尧、楼志文等对焊接过程的力学行为的数值模拟技术进行研究，把数值分析应用到焊接温度场和热-弹塑性应力场中去12。 上海交大同样也在焊接力学模拟方面进行了大量的眼界，提出了求解非线性热传导方程变步长外推法，并编制了二维热-弹塑性有限元分析程序，计算平板对焊接应力应变发展过程及残余应力分布。 清华大学的鹿安理等针对世纪结构应力和变形的数值模拟，研究了焊接移动热源、动态可逆的自适应网格技术、焊缝
23、熔敷金属填充的处理、并行计算、材料性能在高温时的处理、降阶积分等关键性问题，提出了相似理论、快速焊接变形实时测量在焊接数值模拟中的应用，并已于三峡1200t桥式起重机主梁焊接变形的控制盒大型挖掘机的工艺设计中12-14。董俊惠等利用adina非线性分析有限元程序，对低碳钢管道的焊缝接头焊接残余应力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学性能随温度的变化。结果表明，在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力，随离开焊缝距离的增加，逐渐过渡为压应力；在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力维拉应力，计算预测值与实测值基本一致415。 哈尔滨工
24、业大学的田锡唐教授进行了焊接热力过程有限元模拟等方面的大量研究。航空工业制造研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面进行了深入的谈论，并在薄壁焊接结构应力无变形控制技术方面取得了诸多科研成果。天津大学的陈俊梅利用ansys软件对q235b钢的十字接头焊接残余应力进行了研究。 1.3 选题的依据和意义 trt作为钢铁厂炼铁髙炉的炉顶余压能量回收透平机械拖动装置。且装置可回收高炉鼓风机所需能量的25%30%，同时在机组正常运行时，代替减压阀组，很好地调节、稳定炉顶压力，净化炉顶煤气，且对炉顶压力控制灵敏，波动幅度小，对高炉顺产，增产有良好的作用，对高炉调压阀组产生的噪音可以很好的控制，环保也有明显
25、的效果；是一套节能、环保型配套产品！目前在国内外钢铁企业大力推广，市场前景看好。因此对trt装置的安全性考虑也尤为重要，对于焊接机壳的安全性考虑也不容忽视。 金属的焊接过程是一个受热不均匀的加热过程，而且是一个瞬间加热到很高温度，又在短时间降低到室温的过程。因此构件在焊接过程中会产生焊接热应力和变形，焊完后或者冷却到室温时又会产生焊接残余应力和变形，对构件在正常工作状态中造成安全隐患。所以对trt机壳焊接应力和变形的进行计算和分析是很有必要的，并且用有限元模拟分析的方法计算焊接应力和变形，节省时间、减少了实验的麻烦的不便，且降低实验分析的成本。二 研究的基本内容，欲解决的主要问题 我的研究目标
26、是对trt机壳的焊接应力及变形的有限元模拟分析。要实现这一目标，需要进行研究的基本内容有： 2.1 研究内容 2.1.1 trt焊接机壳焊接温度场的计算分析 对于温度场的计算和分析分为两部分：焊接过程的温度场计算和模拟分析；焊接后热处理温度场的计算和模拟分析。 2.1.2 trt焊接机壳焊后应力和变形计算分析 在焊接瞬态温度场计算完成的前提下，检验其符合要求后，就转换温度场的热单元为结构单元进行进一步的应力-变形场的模拟计算分析。 2.1.3 trt焊接机壳焊后热处理的应力和变形分析 对机壳焊后采取300保温4小时，550保温15小时的热处理工艺下，来模拟计算焊后机壳的应力和变形。 2.1.4
27、 热处理前后对trt焊接机壳的应力和变形影响 利用ansys模拟的结果，对热处理前后焊接机壳的变形情况进行比较，分析热处理的作用。 2.2 欲解决的主要问题 首先，分别完成对机壳焊接时和机壳焊后热处理温度场的计算；其次，将焊接和焊后热处理温度场的计算结果作为应力场计算的载荷施加在应力场的计算中，完成焊后和焊后热处理的应力场和变形的计算；最后对两种应力场和变形进行对比、分析，说明焊后热处理的作用，得出结论。在计算焊后热处理升温阶段的应力场时，将应力场的计算结果写入初始应力文件。计算保温阶段的应力场时，采用没有计算过的有限元模型，然后读取前面写入的初始应力文件，并施加热处理保温阶段的温度场载荷进行
28、计算。最终达到解决焊后热处理对焊接机壳的应力变形影响问题的目的。【篇三：数值模拟编程】 一、解析解与显式解、隐式解的对比 1、 解析解 public function erf(x1 as double) as double/*-误差函数-*/ dim x as double, q as double, dx#, dt# x =1 / (1+0.3275911 * x1) q=0.254829592*x-0.284496736*x2+1.421413741*x3-1.453152027*x4+ 1.061405429*x5 erf = 1-q*exp(-x1 2) end function pu
29、blic function anlysis11() as double /*-解析解-*/dim dx#, dt#, n, t, p#(40, 40), f#n = 40t = 40 for i = 0 to tp(1, i) = 1next for i = 0 to tp(n, i) = 0next for i = 1 to np(i, 0) = 0 next sheet1.cells(1, 2) = dx = 0.2:dt = 0.01 sheet1.cells(1, 3) = dx = 0.2:dt = 0.02 sheet1.cells(1, 4) = dx = 0.2:dt = 0.
30、04 dx = 0.2dt = 0.01for j = 1 to tfor i = 2 to n f = (i -1) * dx / (2*sqr(j*dt)p(i, j) = 1-erf(f)nextnext for i = 1 to n sheet1.cells(i+1, 1) = i sheet1.cells(i+1, 2) = p(i, n)next dx = 0.2 共21页第1页dt = 0.02for j = 1 to tfor i = 2 to n f = (i - 1) * dx / (2 * sqr(j * dt)p(i, j) = 1 - erf(f)nextnext f
31、or i = 1 to n sheet1.cells(i + 1, 3) = p(i, n)next dx = 0.2 dt = 0.04for j = 1 to tfor i = 2 to n f = (i - 1) * dx / (2 * sqr(j * dt)p(i, j) = 1 - erf(f)nextnext for i = 1 to n sheet1.cells(i + 1, 4) = p(i, n)next end function 解析解图表共21页第2页2、 显式解 public sub obvious( ) 共21页第3页 /*-显式解-*/dim a as double, dx#, dt#, p#(41, 41), i#, j#/*-边界条件-*/ t = 40 n = 40 for i = 0 to tp(1, i) = 1 next for i = 0 to t for i = 1 to np(i, 0) = 0 next sheet2.cells(1, 2) = “dx = 0.2:dt = 0.01 sheet2.cells(1, 3) = dx = 0.2:dt = 0.02 sheet2.cells(1, 4) = dx = 0.2:dt = 0
