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前沿工程:仿真制造工艺技术管理介绍

一、     制造业的现状及课题

改革开放前，中国建立了比较完善的工业体系，但由于文化大革命的影响，中国的国民经济接近于崩溃，为了迅速地摆脱贫困落后的状况，中国选择了加入西方工业体系链。通过改革开放，这个决定使得中国亿万国民在短时期内迅速摆脱了贫困。但随着经济的发展，我们的制造业陷入了瓶颈。我们国家的制造业融入于西方的体系中，处在制造业的最低端，其具体表现为：从西方得到图纸和加工机械进行制造，利用人口的红利产生利润，科技含量低，而企业无暇顾及开发具有核心竞争力的产品，这种情况一直持续至今。随着劳动力等生产成本的上升，来料加工的业态已处于亏损边缘，因此中国急需要进入生产附加值高的工业产品——即高端制造的阶段。然而，由于三十年以来，我国企业一直处于来料加工的状态，企业已丧失了自主开发高端产品的能力，而高校和科研机构由于其不具备强大的工程背景，他们的科研成果不具有实际运用价值，形成了许多高深、且不可证实的理论，如何打破此困境，是摆在我们面前的一道难题。

无论是现在还是将来，制造业都是国家发展和进步的脊梁。但现实的情况是，欧美以及日本等先进国家的制造业生产技术水平要远远超过现在的中国。而且，目前中国的制造业体系，还仅仅是繁杂经验的积累，这些经验又是通过摸索实验而获得的。

制造业所追求的主要目的就在于“高端”和“高附加值”，并将二者同时用于产品的制造，所以说，即使使用与先进国家同样的经验体系，也永远只能步其后尘。

向先进国家看齐，追上并超过他们，目前的中国制造业必须尝试崭新的办法。

二、     DELAB对中国制造业的贡献

1、DELAB简介

DELAB四维数字仿真系统是一个全新的数字仿真系统。它巧妙地将本公司自行开发的最先进的PMA非线性分析法和精辟的拓扑学计算机辅助设计软件(tpCAD)有机地结合在一起。特别适合于解决现有的有限元法，离散元法以及传统的粒子法所难以攻克或无法攻克的技术难题。

PMA非线性分析法是以粒子耦连力学分析(Particle Multi-coupled Analysis)为基础的非线性分析方法。能准确模拟物体的非弹性变形包括大变形乃至开裂或断裂等突变现象。

tpCAD是以拓扑学为基础的比传统AutoCAD更行之有效的四维设计软件，它将直线和曲线用拓扑学的观点实现统一。从而节省内存，提高计算速度并解决了传统AutoCAD在细分网格或做离散处理时线与线，面与面之间可能不连续的问题。

2、DELAB对产业的影响

技术创新，意味着不断的试验和失败，意味着需要花费大量的时间和财力。近年来，随着计算机解析技术的进步，为航空、船舶、汽车等的技术开发和不断完善提供了一定的技术保障，但是由于其技术复杂，应用范围的局限性，因此难以适应引领世界技术创新的新一代技术研发和完善的时代需求。

     PMA（Particle Multi-coupled Analysis）法，通过对一个以上的多个物理性要因关联发生的现象进行高精度计算，实现了Dynamic仿真的高实用性，可大大提高技术创新的有效性。

PMA（Particle Multi-coupled Analysis）法，不但可以广泛适用于被称为基本要素技术（成型加工技术）制造业的基本要素技术的锻造、铸造、粉末冶金、模具制造等领域，也能为诸如核电发电设备的大型热锻造技术的研究和开发提供有效的技术支撑。

PMA（Particle Multi-coupled Analysis）法，还在积极展开对社会普遍关注的公共基础设施，诸如高压输送电铁塔冬季结冰倒损的安全强度的技术研发。

PMA（Particle Multi-coupled Analysis）法，将着眼于高速铁路、航空器、大型船舶、汽车等运输机械领域的引领世界技术创新的新一代技术的高度化技术开发，在此基础上不断扩大应用领域，为核电发电设施建造技术、宇宙开发等提供专业技术支持。

3、DELAB应用领域

举例：粉末冶金，该课题在江苏省2015年科技创新研发项目

粉末冶金的技术课题

    粉末构成和压密所导致的密度偏差是粉末冶金的主要生产课题。

    大量的金属粉末经过有效配合以及压密形成粉压体，它的密度偏差是导致产品强度低下的重要原因。而且，密度偏差在整个烧结工艺流程中还将影响到形状精度的低下。

    金属粉末的（颗粒）大小、金属粉末的配合比例，以及压密压床（压力机）环境条件等都会直接影响到压粉体的密度偏差，而对于这个偏差及其形成原因的解析，以往的数值化工程分析系统难以进行。所以说，粉末冶金只能在不断摸索的经验基础上进行不断的调适和把握。

本研发项目的目的

    本研发项目的目的就是利用最新的数值化工程分析方法对以往难以进行解析的粉末冶金工程进行有效解析，从而大幅度提升中国的粉末冶金制造技术水准。通过实验以及经验所获得的见解不仅可以在计算机上得到再现，实现大幅度的效率提升，而且，即使是实验中难以得到确认的制造流程以及产品的内部状态也能进行完全的把握。本研发项目的有效推进，不仅仅是制造技术的改善或者改革，这直接意味着一项新制造技术的确立，其社会以及经济价值是无可估量的。

    以往的粉末冶金制造是依赖于经验的技术。现在，我们将通过从经验向基于数值化工程分析系统进行科学解析的大转换，实现粉末冶金技术的突破，提升制造技术水平，与此同时，数值化工程分析系统中的数据化技术以及技术文件也有益于技术人才的培养以及技术的有效传承。

新数值化工程分析系统的解析方法

    新数值化工程分析系统解析方法的主要着眼点就在于，解决粉体间的摩擦定义、粉体与粉体及其与金属模具等耦合问题，解析压冲的动作条件之与密度偏差的关系，此外还将重点考察和解析升温工程中的压密体内部的温度变化与粉体特性变化间的关系等。现在，本研发团队所研发的粒子法仿真模拟系统——DELAB，对以上诸课题均可以进行有效解析和解决，是粉末冶金制造工程解析最适宜的解析系统。

本解析系统在汽车零部件制造解析的其它应用

    目前，本研发团队所研发的粒子法仿真模拟系统——DELAB已经初步开发了大规模塑性变形、温度与强度间的耦合问题为关键技术课题的大型热自由锻造，以及对大变形、素材流动与金属模具应力间耦合关系进行解析的冷锻造仿真模拟。这些课题与粉末冶金同样，是以往的FEM难以进行有效解析的技术领域。而在DELAB中，是把解析对象用粒子的形式进行表现，并对粒子间的相互关系进行分子动力学上的特性定义，基于其特性在温度等外因的作用下时刻都在发生着变化的状态进行原理性的解析，故此，采用该解析方法在对以上诸课题进行解析时具有不可替代的、较大的优势。

通过冷加工锻造模拟实验改善工序

　①　制造工序方面的课题

	对于边沿部分的卷入以及躯干部分的拉伸，必要的部分在强度上有很大的缺陷，为了改善这个问题进行了模拟实验。

②　根据实验结果的描图设定原材料特性的参数

这个冷加工锻造样品由上述的五个工序完成。表现原材料特性的粒子法模拟实验中粒子之间的参数是根据第一道工序的实验结果设定的。

表现锻造原材料特性的粒子之间的参数是根据钻孔排出量（20mm）模拟实验的描图决定的。以后粒子之间使用这个参数。

③   为了改善工序研制的模拟装置

1、根据tpCAD形状数据作成　

2　原材料的弹塑性变化形状・以及模具应力模拟实验结果

3　模拟试验确定了现在有问题的部分

4根据模拟实验结果对有问题的部分进行实验计算

改善问题部分的方法很多、这一次为了调查对设计形状造成的影响做了以下设计改变，并进行了模拟实验计算

5根据原材料的弹塑性变化情况对模具应力进行分析

根据卷入，拉伸，断裂的改善分析以及模具应力的分析结果，上半部最大应力减少45%，下半部最大应力减少30%。根据设计形状的变更，卷入，拉伸，断裂得到了改善、而且根据模具应力分析结果，模具的集中应力得到了分散，模具的使用寿命加长了。

热锻

在解决热锻大变形分析的有限元仿真过程中有一些无法解决的课题如下：

1) 用模型表示较大的塑料变形的本构关系

2) 在大塑性变形中作为边界条件之一的摩擦

3) 在大塑性变形条件下剪切带的模型

4) 计算材料特性和温度梯度影响的耦合分析模型

仿真条件：

1、          钢锭/上砧/下砧 条件

钢锭 ：尺寸:Φ300 mm×H400 mm

材料:AISI-1045 steel

初始温度：1250℃

上砧/下砧：尺寸:L 600mm×W 600mm×H15mm

初始温度：300℃

上砧压下速度: 25mm/s

2、环境条件

环境(空气)温度: 20℃、压下比(最大 ΔH/H=80%)

3、传热

三个物体(上砧，钢锭，下砧)与环境(空气)间存在热传导

传热系数上砧/下砧和钢锭之间：4N/(s·mm·℃)

传热系数上三个物体和环境之间：0.02N/(s·mm·℃)

4、摩擦

三个物体(上砧，钢锭，下砧) 间存在摩擦

5、温度分布和材料強度

积极实现汽车零部件制造技术的飞跃发展

    粉末冶金以及热锻、冷锻，是汽车零部件制造的主干技术，但是对于这些技术的解析和具有实用价值的研究却是以往的解析方法所不能进行的。而且事实上，其技术的要旨也就只能在于制造现场的灵感以及摸索实验之中。但是，现在我们所拥有的崭新的数值化工程解析系统，可以对以往根本难以实现解析的诸如粉末冶金、热锻、冷锻等进行有效解析，并能实现解析结果的不断升级和有效实用化，如此，我们坚信，通过有效解析、实用化的不断推进，必将实现汽车制造主干技术的飞跃发展。

利用DELAB，对焊接工艺（三丝焊）进行优化。

熔滴基础模型

熔滴碰撞模型

熔滴碰撞模型

熔滴熔池碰撞模型

焊接（单线）基础模型

利用DELAB对搅拌摩擦焊进行仿真优化

1、DELAB基础仿真

2、燕山大学利用DEFORM进行的仿真

仿真结果与物理实验不相符

DELAB搅拌摩擦焊仿真——温度场

残余应力的DELAB仿真

利用DELAB 系统对复杂零部件进行逆向工程数据建立，并指导生产

目前的逆向工程主要是利用三维激光扫描对外形进行重塑并建立CAD数据进行生产，其对复杂的内部管道，包括汽车发动机和飞机发动机，只能进行破损性测量来进行逆向工程，这远远达不到要求的精度。而DELAB 系统支持对工业CT扫描得到的数据进行重构，其精度与测量器所给数据之间的误差仅为 ，它可对我们未知的结构件进行解析，对提升中国的高端零件制造业将起到十分重大的作用，并且得到了大飞机发动机首席科学家王安正教授的肯定，在不远的将来与我们合作。

DELAB四维数字仿真系统的前景

基于PMA非线性分析法的DELAB四维数字仿真系统作为一门可以替代现有其他分析技术的全新技术，描述的是事物运动和形态的本质，其计算模拟速度快精度高。且能用于传统的分析法所难于或不能进行的模拟仿真。

可望在不远的将来取代传统的分析方法和系统。形成一门新的学科。

将其应用于当今的热门制造工艺如粉末冶金，热锻造工艺的模拟仿真必将划时代地提高这些制造工艺的水平，大幅度地降低原材料的损耗并大大地缩短产品的研究开发周期。

用于公共设施的紧急避难仿真，基础设备的安全设计等，造福人类。

支撑新一代交通工具研究，核发电设备安全保障以及宇宙开发等所需的制造设计技术。

前沿工程:仿真制造工艺技术管理介绍

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