材料加工过程实验建模方法,简单实验设计
材料加工过程的数值模拟PPT课件
dq q x x x dx
dq q y y y dy
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
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2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• 等温面 • 等温线
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热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：QFT x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n 14
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
模型制作技术》实验指导书
加深对设计理念的理解
通过制作实物模型，学生将更深入地理解设计理 念，更好地把握设计细节，提高设计能力。
实验材料与工具
材料
木质、塑料、石膏等常用模型制 作材料，以及用于表面处理的颜 料、涂料等。
在处理石膏等粉末状材料时，应佩戴口罩等防护用品，防止吸入粉尘；
在使用颜料、涂料等化学物品时，应避免直接接触皮肤，防止过敏或中
毒。
02
基础模型制作
模型材料选择
塑料模型
塑料模型轻便、耐用，易于加 工和上色，适合制作细节要求
不高的模型。
木质模型
木质模型质感好，可塑性强， 但加工难度较大，需要较高的 手工技能。
《模型制作技术》实验指 导书
• 实验准备 • 基础模型制作 • 高级模型制作 • 实验报告与总结 • 实验常见问题与解答
01
实验准备
实验目的
1 2 3
掌握模型制作的基本原理和技术
通过实验，学生将了解并掌握模型制作的基本原 理和技术，包括材料选择、比例控制、细节处理 等方面的知识。
培养动手能力和创造力Fra bibliotek5实验常见问题与解答
材料问题
01
材料选择与准备
02
问题1：如何选择合适的材料？
03
根据实验需求选择适当的材料，如塑料、木材、金 属等，考虑其强度、重量、成本等因素。
材料问题
01
问题2：如何确保材料质量？
02
检查材料的规格、质量，确保无缺陷、无 损坏，必要时进行质量检测。
03
问题3：如何处理特殊材料？
定制化服务优势
材料加工过程数值模拟
第一部分：铸造过程的数值模拟1.1概述铸造工艺历史悠久,但长期以来只是一种手工艺经验积累,近代逐渐成为一门工程技术,但仍缺乏完整的科学体系[1-3]。
铸件凝固及其相应的铸型充填是铸造工艺的基本技术问题,大部分铸造缺陷产生于这一过程或与之密切相关,但由于该项研究问题复杂、难度较大,在实际生产中不得不更多地依赖于经验。
液体金属进入型腔之后,流态和温度是如何变化的,凝固是如何进行的,缺陷是如何生成的,这些对铸造工作者来说还带有相当的盲目性。
如何把它们计算和描绘出来,优化出最佳方案并形成工艺文件,尽可能以较少人力、物力生产出优质铸件,这就是铸件凝固数值模拟的主要任务[2]。
该学科是材料发展的前沿领域, 是改造传统铸造产业的必由之路。
经历了数十年的努力, 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段, 铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。
铸造充型凝固过程的数值模拟, 可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测,在浇注前采取对策以确保铸件的质量, 缩短试制周期, 降低生产成本。
1962年丹麦的Forsund把有限差分法用于铸件凝固过程的传热计算，从此铸造工艺揭开了计算机优化的序幕。
电子计算机在铸造生产中得以应用，目前主要在生产管理和数据处理、生产过程自动化控制以及铸造工艺辅助设计等领域，而用计算机模拟仿真逐步代替传统的经验性研究方法，已成为21世纪铸件成形技术的发展趋势之一[3]。
数值模拟技术经过数十年的发展，已经步入工程实用化阶段。
1989年, 世界上第一个铸造CAE商品化软件在德国第7届国际铸造博览会上展出, 它以温度场分析为核心内容, 在计算机工作站上运行, 是由德国Aachen大学Sahm教授主持开发的, 被称之为MAG2MA软件。
同时展出的还有英国FOSECO公司开发的Solstar软件, 它可在微机上运行, 但对有限元分析作了极大的简化。
大型汽车工程部件注塑成型实验报告
大型汽车工程部件注塑成型实验报告一、实验目的1、掌握注塑成型工艺中各参数如塑件材料、成型压力、温度、注射速度、浇注系统等因素对其成型质量的影响大小。
2、介绍塑件各种成型瑕疵的构成机理，以及各工艺参数对各种瑕疵构成的影响大小。
3、初步介绍压铸成型分析软件moldflow的各项功能及基本操作。
4、初步介绍ug软件三维建模功能。
5、初步介绍ug软件三维模具设计功能。
二、实验原理1、moldflow压铸成型分析软件的功能十分齐全，具备完备的分析模块，可以分析出来压铸成型工艺中各个参数例如塑件材料、成型压力、温度、口服速度、浇筑系统等因素对成型质量的影响，还可以模拟出成型瑕疵的构成，以及如何改良等等，还可以预测每次成型后的结果。
2、注射成型充填过程属于非牛顿体、非等温、非稳态的流动与传热过程，满足黏性流体力学和基本方程，但方程过于复杂所以引入了层流假设和未压缩流体假设等。
最后通过公式的分析和计算，就可以得出结果。
三、实验器材硬件：计算机、游标卡尺、注塑机、打印机软件：ug软件、moldflow软件四、实验方法与步聚1、ug软件模型创建和模具设计（已省却）；2、启动moldflow软件；3、新建一个分析项目；4、输出分析模型文件；5、网格分割和网格修正；6、流道设计；7、冷却水道布置； 8、成型工艺参数设置； 9、运转分析解器； 10、制作分析报告11、用试验模具在注塑机上进行工艺试验（已省去）；12、分析演示分析报告（省却与实验结果相比较这一步骤）； 13、得出结论五、前置处理相关数据 1.网格处理情况1）展开网格确诊，可以看见网格重合和最小四海比等问题； 2）网格确诊，并依次修正存有的网格问题； 3）修正回去后，再次检查网格情况。
2.材料选择及材料相关参数在在方案任务视窗里双击第四项材料，插入例如图材料挑选窗可直接选常用材料，也可根据制造商、商业名称或全称搜索3. 工艺参数设置双击方案任务视窗里的“成型条件设置”，这里直接用默认值。
《材料成型综合实验》3D打印实验报告实验
《材料成型综合实验》3D打印实验报告实验一、实验目的1、掌握快速成型加工原理、方法及在模具加工中的应用；2、了解快速成型机床的组成、工作原理和操作方法。
二、实验仪器HTS-400pl快速成型机、树脂丝材、计算机等三、实验原理3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉未状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
RP技术基本原理：离散—堆积（叠加）。
3D打印技术与激光成型技术基本上是一样的。
简单来说，就是通过采用分层加工、迭加成形，逐层增加材料来生成3D实体。
称它为“打印机”的原因是参照了其技术原理，3D打印机的分层加工过程与喷墨打印机十分相似。
首先是运用计算机设计出所需零件的三维模型，然后再根据工艺需求，按照一定规律将该模型离散为一系列有序的单位，通常在Z向将其按照一定的厚度进行离散，把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；然后再根据每个层片的轮廓信息，输入加工参数，然后系统后自动生成数控代码；最后由成型一系列层片并自动将它们连接起来，最后得到一个三维物理实体。
四、实验过程基本过程如下：对要打印的零件进行三维建模，绘制三维图形，保存STL通用格式。
用3D打印软件打开保存的STL格式的零件，在3D打印软件中设置相关打印参数，生成路径。
将3D软件生成的GSD格式用插卡的形式放在打印机里。
随后启动打印机即可。
实验的详细过程如下：首先进行的三维模型构建经常使用的软件有Pro/E、UG、SolidWorks、激光扫描、CT断层扫描等。
然后要对三维模型做近似处理，也就是用三角形平面来逼近原来的模型（STL文件）。
近似处理后进行切片处理，即对加工方向（Z方向）进行分层（间隔一般取0.05m--0.5mm，常用0.1mm ）。
之后进行打磨、抛光、涂挂、烧结等后处理步骤。
最后成型加工。
成型头（激光头或喷头）按各截面轮廓信息扫描。
其中分解（离散）过程由计算机完成，组合（堆积）过程由成型机完成，后处理过程中的结构与性能的加强由其他辅助设备完成。
模型制作过程实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 熟悉模型制作的基本流程和方法。
2. 提高动手能力和空间想象力。
3. 学习使用模型制作工具和材料。
二、实验原理模型制作是将现实中的物体或场景以缩小的形式表现出来，通常用于展示、教学、研究等目的。
模型制作的过程包括设计、制作、组装、涂装等多个环节。
三、实验材料与工具1. 材料：A4白纸、泡沫板、塑料泡沫、胶水、剪刀、铅笔、直尺、画笔、喷漆等。
2. 工具：美工刀、剪刀、砂纸、螺丝刀、尺子、胶枪、喷枪等。
四、实验步骤1. 设计阶段（1）确定模型主题和比例。
（2）绘制模型草图，包括物体轮廓、细节、色彩等。
（3）确定模型尺寸和材料。
2. 制作阶段（1）按照草图裁剪泡沫板，制作出物体基本形状。
（2）使用美工刀和砂纸修整泡沫板，使形状更加准确。
（3）用胶水将泡沫板粘合，确保连接牢固。
（4）用铅笔在泡沫板上勾勒出物体细节，如门窗、纹理等。
（5）用画笔在物体表面涂上底漆，使颜色更加鲜艳。
3. 组装阶段（1）将制作好的泡沫板零件按照设计图纸进行组装。
（2）使用螺丝刀将零件固定，确保组装牢固。
（3）检查组装好的模型，如有松动或变形，及时进行调整。
4. 涂装阶段（1）用喷枪对模型进行喷漆，注意喷漆距离和角度。
（2）根据需要调整喷漆颜色和厚度。
（3）待第一层漆干透后，进行第二层喷漆。
5. 后处理阶段（1）检查模型整体效果，如有不足之处，进行修正。
（2）对模型进行打蜡处理，提高光泽度。
（3）将模型放置在展示架上，进行展示。
五、实验结果与分析1. 成功完成了一个以城市景观为主题的模型制作。
2. 在制作过程中，掌握了模型制作的基本流程和方法。
3. 提高了动手能力和空间想象力。
4. 学习了使用模型制作工具和材料。
六、实验总结本次实验通过模型制作，使我们对模型制作的基本流程和方法有了更深入的了解。
在实验过程中，我们遇到了各种问题，如材料选择、工具使用、细节处理等。
通过不断尝试和调整，我们成功完成了模型制作。
此次实验不仅提高了我们的动手能力和空间想象力，还让我们学会了如何解决问题和团队协作。
材料加工计算机仿真模拟实验教学
材料加工计算机仿真模 拟实验教学
柳 谋 渊
（ 上 海应 用技 术学院 材料科 学与工程 学院 ， 上海 ２ ０ １ ４ １ ８ ）
摘 要 ： 分 析 了计 算机 仿真 模拟 实验在 工 科 院校 中应 用 的合 理性 和 有 效性 ， 对 材料 加 工 工程 专 业
二、 应 用 范 围
一
仿真模拟技术在材料加工实验教学 中的应用 ， 化模 拟 技术 可 以有效 地进 行教 学 ，在 揭示 材料 各 种 让 学生 掌握 数字 化模 拟技 术 。 是可 以形成虚拟实验操作环境 ， 包括环境生成 、 对 内在规 律 的 同时 ，
材 料加 工 工程 专业 通常 的分 析类 别有 金 属塑 性
学的有力补充 ， 成为加强实践教学 ， 提高工程实践能 地揭 示材 料加 工过 程 中的各 种规律 ，实现 对加 工过
力 的重 要 手段 。
程 中材料 、工 模具 和设 备 的各种参 数合 理设 计 和优
化 配置 。
一
、
仿 真 模 拟 实验 的科 学性 和 有 效 性
从 实验装 备 、 实验材 料 和实验 室空 间 的角 度看 ，
二专业教学过程分析材料加工工程中数字化模拟对于铸造焊接塑性成形等工艺设计过程中的工模具设计材料应力应变场分析以及破坏失效分析等方面作用突出已有相应专著和应用成果专业教学过程中的有关课程如冶金原理铸造工艺学金属材料热处理复合材料焊接技术塑性加工工艺和高分子材料成形工艺等均有温度场流场应力应变场和扩散场等问题分析利用现有数字化模拟技术可以有效地进行教学在揭示材料各种内在规律的同时让学生掌握数字化模拟技术
学习时间短 ， 具有投入 计算机仿真模拟实验教学有演示型模拟和研究 数字化模拟实验运行代价低 ， 生。 实验体系具有体系完备 、 内容涵 盖面 型模 拟两种 类型 ， 均 有益 于拓 宽实验 渠道 ， 增 加 学生 产 出的有效 Ｉ
泡沫铝材料的制备与有限元模拟
泡沫铝材料的制备与有限元模拟泡沫铝材料是一种轻质、高强、具有良好吸声和隔热性能的新型功能材料。
由于其独特的优点，泡沫铝材料在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、航空航天、建筑和国防等。
因此，研究泡沫铝材料的制备技术与有限元模拟对其性能的影响具有重要意义。
泡沫铝材料的制备方法主要有物理发泡法、化学发泡法和机械搅拌法等。
其中，物理发泡法是最常用的方法，其工艺流程如下：将混合物放入模具中，置于一定温度和压力条件下；发泡剂分解产生气体，导致混合物膨胀，形成泡沫铝材料；通过观察泡沫铝材料的泡孔结构，发现泡孔大小、分布和密度等因素对其性能有较大影响。
同时，泡沫铝材料的力学性能也表现出明显的各向异性，其中沿垂直于泡孔方向的性能较好。
有限元模拟是一种常用的数值分析方法，可以用来预测泡沫铝材料的性能。
在有限元模拟过程中，需要选择合适的材料模型、边界条件和有限元软件。
其中，材料模型需要考虑泡沫铝材料的弹性模量、泊松比和密度等参数；边界条件需要考虑材料的受力情况；有限元软件可选择ANSYS、SolidWorks等。
通过有限元模拟，可以得出泡沫铝材料的应力、应变和疲劳寿命等性能指标。
在应力分析中，发泡剂的加入使得泡沫铝材料的应力水平显著降低；在应变分析中，泡沫铝材料的应变主要发生在泡孔内，并且沿泡孔方向的应变最大；在疲劳寿命分析中，泡沫铝材料的疲劳寿命随着泡孔密度的增加而降低。
通过对泡沫铝材料的制备与有限元模拟研究，发现制备过程中的发泡工艺对泡沫铝材料的性能具有重要影响。
同时，有限元模拟结果表明，泡沫铝材料的应力、应变和疲劳寿命等性能指标受到泡孔结构、密度等因素的影响。
然而，目前的研究还存在一些不足之处，如制备过程中工艺参数的控制、有限元模拟中材料模型的精度等问题需要进一步探讨。
为了更好地应用泡沫铝材料，未来的研究方向可以从以下几个方面展开：优化制备工艺：进一步研究发泡工艺中的关键参数，如发泡剂类型、温度和压力等对泡沫铝材料性能的影响，为实现制备过程的优化提供依据。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
分块原则：
实验单元的分块主要依据实验目的，考虑到同一块内实验条件上
的一致性。 例如，在工业实验中，尽可能把由同一工厂生产的同型号设备、 相同批次的原材料以及在同一时间内进行的实验分在一个块内。 当然，实验单元的很多属性可以作为分块的依据或标志，但不管 按什么标志分块，只有做到在同一块内各实验观察数据之间的方差小 于全部实验观察数据时，分块才是有效的。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
1、全面实验法 把全部因子和所有水平都一一搭配起来进行试验。 优点：能找出最好的搭配方案 缺点：费时费工，有时甚至不可能实现 适用范围：一些较简单的情况
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
优点：
(1) 安排灵活，可以确定任意数量的实验配方和进行任意数量的重复，
(3) 查随机数表
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
(1) 在完全随机实验设计中，各配方在所有实验单元中随机地进行分
配，那么由于实验单元之间的差别而造成的观察数字的差异没有单独
考虑，而将其归并在实验误差中。但当各实验单元之间存在较大差别 时，就会造成实验精度的明显降低；
（2）拉丁方试验设计的随机化
对列排列随机化
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
指标：根据实验目的而选定的用来衡量试验结果的
标准。 定量指标 定性指标（非数量指标）
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
因素（因子）：影响实验指标（结果）的实验条件
(1) 可控因素：是指其水平可以比较并且可以人为选择的因素 (2) 标示因素：是指外界的环境条件、产品的使用条件等因素 (3) 区组因素：是指具有水平，但其水平没有技术意义的因素，是 为了减少试验误差而确定的因素 (4) 误差因素：是指除上述因素外，对产品质量特性值有影响的其 它因素的总称
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
配方：为观察研究在某一因素各水平级条件下可能
的实验结果，而进行的整体实验的一个组成部分。 实验单元：可供某个实验配方一次实验用的实验物 质条件。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（一）单因素实验设计
单因素试验设计：是指对一个因素的若干水平，进行重复 几次的试验方案安排。 完全随机的试验设计 随机的分块试验设计 拉丁方试验设计
（二）多因素实验设计
1、全面实验法
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
2、单因素轮换法
将因子中只变化一个，其余固定，进行逐步搭配试验，再通过比较获得
好的搭配方案。
优点：一般也能取得一定的效果，而且试验次数较全面试验的少。 缺点： (1) 对待各因子和水平的机会不均等； (2) 固定和变化因子的顺序，会影响试验结果； (3) 最后结果是否是最好的，还不能充分肯定，只能说在所做过 的试验中是最好。
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二、简单实验设计
（二）多因素实验设计
2、单因素轮换法
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材料加工过程的建模方法
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谢谢！
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
水平：因素变化的状态和条件
(1) 水平个数应取三个以上为宜； (2) 水平的选取应是等间隔的：算术等间隔值、对数等间隔值； (3) 水平应是具体的 所谓水平是具体的，指的是可以直接控制的具体的数值或方式， 并且水平的变化能直接影响实验指标的不同程度的变化。
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
注意：
(1) 随着每块内实验单元数的增加，其实验精度将随之降低，因而块
的规模不宜过大； (2) 在分块实验的条件下，同一块内的配方应安排在一个时间进行，
在结束一个块内的实验后，再进行另一块的实验。
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
随机分块实验可以从实验误差中消除由于实验单元的差别所造成 的偏差，但在有些情况下，实验设计中要求消除两类或两类以上因素 之间的偏差。 例:要实验四种不同型号的汽车轮胎甲、乙、丙、丁之间性能上有 无显著差异，可以将其安在汽车上进行实验汽车型号不同是造成偏差 的因素之一轮胎在汽车上安装位置不同，也是造成观察数据之间偏差 的一个因素。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
拉丁方是一种行数和列数相等的方阵
假如在一个设计中含有p个配方，则总计需要p2个实验单元 先按照实验单元中的一个偏差因素将其分成p个组，每个组中 含有p个单元，通常称为按行分类；再按照实验单元的另一个偏差 因素将p2个实验单元分成p个组，每个组中也含有p个实验单元，称 为按列分类。 配方在实验单元中这样分配，便做到各个配方在每一行中出现 一次，且仅一次，在每一列中出现一次，且仅一次
(2) 为提高实验精度所采取的有效措施，将实验单元分块，将相同的
或差别不明显的实验单元归并在一个块内，从而使一块内实验的观察 数据基本上不受实验单元差异造成的影响； (3) 对于块同块之间因实验材料的差别造成的观察数字的差异，可以 单独分析块的附加试验误差，从而达到提高实验精度目的。
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材料加工过程实验建模方法
简单实验设计
第七组：***
一、基本概念
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
试验设计：是一门研究如何正确地安排试验和分析
数据并以较少的试验获得最佳试验结果的科学
方案设计
实验实施
结果分析
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材料加工过程的建模方法
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一、基本概念
而且对不同的配方，重复次数可以不等； (2) 统计分析简便。 缺点：精度低，特别是当试验的条件不均匀时尤其明显。 适用场合：主要适用于各实验单元基本均匀一致的场。
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
1、完全随机的试验设计
完全随机试验设计的配方随机化
(1) 抽签 (2) 掷骰子
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
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材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（1）拉丁方试验设计的特点
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
材料加工过程的建模方法
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（2）拉丁方试验设计的随机化
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
（2）拉丁方试验设计的随机化
对行排列随机化
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二、简单实验设计
3、拉丁方实验设计
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二、简单实验设计
2、随机的分块试验设计
优点：
(1) 分块后可以做到从实验误差中基本上消除由于实验单元之间的不
均匀造成的误差，从而提高实验的精度； (2) 比较灵活，可以进行任意多块和任意多配方的实验，但要求一个
配方在各个块内重复的次数相等；
(3) 统计分析较简便。 缺点： (1) 如果在实验执行过程中，产生块之间实验单元的混淆或发生实验 过程中丢失数据等情况，将造成分析上的困难； (2) 随着分块数的增加，设计的有效性降低。
（1）拉丁方试验设计的特点
优点：可以控制实验中的两类或两类以上偏差 缺点：
1、当配方数为p时，则至少需要p2个实验单元，因而p的数字不能
太大，一般应有p≤10； 2、随着p的增大，实验误差将随之增大； 3、对实验中可能出现的丢失数据以及在实验单元中的错误分配，
将导致实验的分析工作变得十分复杂。
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