第一篇：分子動力學模擬在材料科學與生命科學的應用聽后感悟

分子動力學模擬在材料科學與生命科學的應用聽后感悟

當實驗研究方法不能滿足研究工作的需求時,用計算機模擬卻可以提供實驗上尚無法獲得或很難獲得的重要信息;雖然計算機模擬不能完全取代實驗,但可以用來指導實驗,并驗證某些理論假設,從而促進理論和實驗的發展。特別是材料形成過程中許多與原子有關的微觀細節,在實驗中無法獲得,而在計算機模擬中即可以方便地得到。這種優點使分子動力學模擬在材料科學研究中顯得非常有吸引力。

分子動力學(Molecular Dynamics,MD)模擬是指對于原子核和電子所構成的多體系統,求解運動方程(如牛頓方程、哈密頓方程或拉格朗日方程),其中每一個原子核被視為在全部其它原子核和電子作用下運動,通過分析系統中各粒子的受力情況,用經典或量子的方法求解系統中各粒子在某時刻的位置和速度,以確定粒子的運動狀態,進而計算系統的結構和性質。20世紀80年代后期,計算機技術飛速發展,加上多體勢函數的提出與發展,使分子動力學模擬技術有了進一步的發展。

根據對原子間作用勢不同的簡化處理方法,分子動力學可劃分為經典分子動力學和現代分子動力學。經典分子動力學計算量較小,可以解決較大規模的問題,但針對不同的問題,可能需要確定不同的經驗參數。而現代分子動力學直接從量子力學軌道理論出發獲取原子間作用勢,不需要經驗參數,準確性高,但計算量比較大,一般用來解決較小規模的問題。分子動力學模擬在深入研究液體結構,揭示金屬熔體的結構演變、非晶傾向及熱力學性質計算等方面具有很大的發展和應用前景。金屬熔體結構是一個重要的研究領域,采用分子動力學方法從原子層次上描述熔體系統的原子組態及其凝固過程中的演變過程,進行了微觀和宏觀的良好結合。進一步擴大分子動力學在該領域的應用顯然是凝聚態物理的一個熱門發展方向。

生物大分子的具體功能正不斷的被科學家們解析。借助于一些新表征方法，諸如 X 射線晶體衍射技術、電子晶體學技術、多維核磁共振波譜、冷凍電子顯微鏡等，人類甚至已經觀測到了生物分子中最小的氫原子，因此，更多的注意力被放在研究生物大分子之間的相互關系上。與此同時，具有跨時代意義的“人類基因組計劃”以及其后續的多種科研計劃導致了海量生物學數據的產生，這些數據迫切的需要進一步的處理與分析。高性能計算機的發展為生物學中海量數據的處理提供了必要條件，信息時代的來臨也為現代生物學的發展提供了最廣闊的信息交互平臺。高性能計算機與網絡也成為現代生物學必不可少的一部分，不斷推進著更多，更細分的交叉學科的發展。

第二篇：數值模擬在大型鍛件中的應用

材料科學計算機數值模擬

學院：材料科學與工程學院 姓名：董璠

學號：S12080502011 專業：材料學

數值模擬在大型鑄鍛件中的應用

摘要：本文首先介紹數值模擬技術在現代制造中的地位和作用，然后舉例說明數值模擬在鑄造和鍛造中的應用，最后介紹數值模擬在鑄造和鍛造中的應用展望。關鍵詞：數值模擬 鑄造 鍛造 應用

一、引言

隨著計算機技術的飛速發展，人類社會已經步入了信息時代。計算機及網絡不僅改變了人們生活方式，也同樣改變了傳統機械制造的概念與方法。隨著計算機輔助技術(CAX)的廣泛應用，計算機已經深入到工業生產的各個環節之中。一個現代的產品制造過程可以這樣來描述：當接到生產任務時，首先采用CAD(Computer AidedDesign)系統進行產品設計，其設計結果將由CAE(Computer Aided Engineering)系統對其生產工藝的可行性及合理性進行評估，如果其不滿足制造要求或所需要成本太高，將返回到CAD系統中進行重新設計：如果通過了CAE的評估，就將采用CAM(ComputerAided Manufacturing)系統進行實際的生產制造。這一生產模式已在工業發達國家得到了廣泛的應用。

將產品設計、工藝制定、生產制造及管理中的計算機輔助技術，通過先進的信息技術結合起來，從而達到進一步縮短產品設計、制造周期，提高產品質量，降低成本，增強產品競爭能力的目的是非常有意義的。

二、數值模擬技術的有關介紹

數值模擬技術是CAE的關鍵技術。通過建立相應的數學模型，可以在昂貴費時的模具或輔具制造之前，在計算機中對工藝的全過程進行分析。不僅可以通過圖形、數據等方法直觀地得到諸如溫度、應力、載荷等各種信息，而且可預測可能存在的缺陷；通過改變工藝參數對不同方案進行模擬分析，可以從各方案的對比中總結出規律，進而實現工藝的優化。數值模擬技術在保證工件質量，減少材料消耗，提高生產效率，縮短試制周期等方面顯示出無可比擬的優越性。在工業發達國家，數值模擬技術已被認為是生產中必不可少的一個環節，目前在國內數值模擬技術也早已走出象牙塔，并已在實際生產中取得了巨大成功。

2.1 鑄造CAE技術

計算機輔助分析又叫計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，簡CAE)，是計算機在鑄造行業中應用的一個重要領域。一般來說，它通過建立能夠準確描述研究對象某一過程的數學模型，采用適當的可行的求解方法，在計算機上模擬研究對象的特定過程，分析有關影響因素，預測這一特定過程的可能趨勢與結果。鑄造過程數值模擬技術便屬于典型的CAE技術。鑄造CAE技術是利用計算機技術來改造和提升傳統鑄造技術，對優化鑄造工藝．縮短試制周期牌低鑄件成本、提高鑄件質量有著重要的作用，它的應用和推廣將為鑄造行業帶來很大的經擠和社會效益。

1989年，世界上第一個鑄造CAE商品化軟件-MAGAMsoft在德國第七屆國際鑄造博覽會上展出，它由德國Aachen大學的Sahm教授主持開發，以溫度場分析為核心內容，運行于工作站上。二十世紀90年代以來，鑄造CAE商品化軟件功能逐漸增強，普遍增加了三維流場分析功能，大大提高了模擬分析的精度。但是，由于鑄件三維應力場問題復雜、算法難度大，當時認為很難在微機上實現。1993年，日本豐田汽車公司在荷蘭的第60屆世界鑄造會議上發表了用大型計算機進行發動機缸體及輪轂三維殘余應力分析的文章，標志著鑄造凝固過程應力場模擬仿真分析朝著工程實用化邁出了一大步。目前，德國MAGAMsott等商品化軟件已具有三維應力場分析功能。最初，它采用FDM/FEM聯合分析的技術路線，即用FDM分析流動場、溫度場，用FEM來分析應力場。其中FEM采用商品化的有限元分析軟件。現在，正全部改用FDM技術。其它CAE商品化軟件的應力場分析絕大多數也采用FEM方法，如美國的Procast，但模擬分析的準確度有待進一步提高。

2.2 三維有限元模擬

根據金屬材料非線性本構關系式的不同，三維有限元在金屬成形過程模擬中的應用主要分為兩大類：彈-（粘）塑性和剛-（粘）塑性有限元。2.2.1 彈-(粘）塑性有限元法

這一方法考慮了金屬變形過程中的彈性效應，其理論基礎是Prand It-mises 本構方程。它可分為小變形彈塑性有限元法和大變形彈塑性有限元法，前者主要分析金屬成形過程中的初期情況，后者應用于變形量發生大變化的后期階段。它們適用于彈性變形量無法忽略的成形過程模擬，廣泛應用于板料成形問題分析。在分析金屬鍛造成形時，不僅能按照變形的路徑得到塑性區的發展狀況，工件中的應力應變、溫度分布規律及幾何形狀的變化，而且還能有效地處理卸載等問題，計算殘余應力及殘余應變，從而可預知并避免產品缺陷。但是，彈塑性有限元法要采用增量方式加載，為了保證計算精度和迭代的收斂性，增量步長不可能太大所以在計算變形問題時，計算量大，且需要較長的時間和較多的費用，效率較低。金屬成形過程模擬分析中常用到的基于彈-（粘）塑性本構關系的三維有限元分析軟件主要有MARC、ANSYS 等，基本方程基于Lagrange 坐標系。2.2.2 剛-(粘）塑性有限元法 這一方法忽略了金屬成形過程中的彈性變形，其基本理論是Markov 變分原理。剛-（粘）塑性有限元法適用于鍛造、擠壓以及軋制等塑性成形問題的分析中，剛-塑性有限元法通常只適用于冷加工。由于剛-（粘）塑性有限元法是一種基于變分原理的有限元方法，使計算的增量步長可以取得大一些，并且該方法可以用小變形的計算方法處理大變形問題，所以剛-（粘）塑性有限元法克服了彈-（粘）塑性有限元法中計算量大、運算時間長、效率低等不足，使計算程序大大簡化，達到了較高的計算效率。但該法由于忽略了金屬成形中的彈性效應，所以該方法不能求解彈性問題，也不能進行殘余應力計算。目前，剛-（粘）塑性有限元法已成為金屬體積成形的主要數值模擬方法。采用剛-（粘）塑性本構關系的有限元分析軟件有：ALPID、DEFORM 等，其基本方程基于Euler坐標系。

三、數值模擬在鑄造和鍛造中的應用

3.1 數值模擬在鑄造中的應用實例

MAGMAsoft鑄造模擬軟件是全球最佳的鑄造軟件工具，為鑄造業改善鑄件品質、制造過程條件、降低成本、增加競爭力提供了最優選擇。MAGMAsoft是為鑄造專業人員實現改善鑄件質量，優化工藝參數而提供的有力工具，它運用仿真傳熱及流體的物理行為，凝固過程中的應力及應變，微觀組織的形成，MAGMAsoft可以準確地預測鑄件缺陷，改善現有工藝的不足，提高鑄件質量。

MAGMAsoft適用于所有鑄造合金材料的鑄造生產，范圍白灰鐵鑄造，鋁合金砂型鑄造，到大型鑄鋼件鑄造。可應用于鑄造部件設計的開發，最佳工藝方案的優化，縮孔、縮松的模擬，鋼水充型過程的模擬，以及熱處理過程中應力場的模擬。

鑄件為一活塞零件，合金材料為ZLl09G，相當于MAGMA材料數據庫中的A1Sil2CuNiMg，其組織致密性要求較高，生產的主要問題是鑄件內縮松和縮孔嚴重，模具為金屬模，采用一模一腔，重力鑄造。運用MAGMA CAE軟件的主要分析流程如下：（1）建模

對于MAGMA分析軟件來說，其造型功能比較簡單，只能做一些簡單的工作，對于形狀較復雜的零件一般只能借助一些專用CAD軟件，如Pm／e、UGII、CATIA等進行建模，MAGMA在前處理過程中可通過圖形接口將*．iges或*．sd格式文件直接讀入。（2）前處理

在前處理中主要設置鑄件的澆冒口位置及大小、分別設置鑄件、砂芯、芯盒、澆El入水口(inlet)、跟蹤粒子(tracer)，其中設計跟蹤粒子的目的是為了分析液態金屬液充填結束后雜質和氧化物的運動情況，預測這些雜質是否在金屬液凝固之前能夠上浮到鑄件主體以外，即鑄件內部是否會出現夾雜等缺陷。（3）網格劃分(Enmeshment)有限元網格的劃分是軟件進行分析的基礎，而且有限單元的大小很重要，有限單元大，即整體單元密度小，會造成分析結果粗糙，不精確；太小，整體單元密度大，分析時會占用大量機時，而且結果也不一定精確。所以在劃分時應根據模型的大小及復雜程度，選擇合適的有限單元密度。

Enmeshment是專門用于對三維實體模型進行有限元四面體單元網格剖分的模塊，借助于這個模塊，用戶可以直接對由機械CAD系統所建立的*．stl格式的實體模型進行自動的四面體單元劃分，這個模塊特別適于包括鑄件、鑄型等在內的多個部件同時進行網格剖分。

(a)粗略劃分的有限元網格(b)稀疏不同的有限元網格

圖1 活塞零件有限元網格劃分

（4）模擬計算(simulation)網格劃分好以后，就可以設置所用的各種材料、邊界條件、機床型號，及多種工藝過程參數，尤其是一些生產過程參數的設置可在多次模擬計算中加以優化。在進行分析計算時，首先要確定模具的類型，是金屬模(permanentmold)，還是砂模(sand mold)，以及分析的目的是計算充填(calculate filling)、凝固(calculate solidification)，還是應力應變(calculate stress)情況，然后選擇合金材料及確定在鑄造過程中材料的熱物理特性參數，如鑄造合金、型砂等，這些參數可直接從標準數據庫(database)中得到。工藝及鑄造條件，澆注溫度，或壓鑄沖頭曲線等則由用戶直接輸入現場的實際參數。參數確定完以后整個分析模擬過程可以自動展開，在分析計算的過程中可隨時返回修改有關參數并重新開始分析計算.（5）分析結果

模擬計算結束后，就可以在后處理模塊中看到以顏色三維方式顯示的模擬結果，進行模擬結果分析。

根據流體模擬模塊MAGMA fill我們可以獲得以下信息：鑄型充填的方式、金屬液在型腔中流動的方向與速度、溶融金屬液溫度分布及溫降情況、溶融金屬液壓力場分布、在充填過程中可能發生澆不到、冷隔及沖砂的位置、發生潛在夾渣的位置。

3.2 數值模擬在鍛造中的應用實例

眾所周知，大型鍛造用鋼錠中一般存在縮孔、疏松、夾雜和偏析等缺陷。這些缺陷的存在會增大材料的消耗，而且可能會影響到后續鍛造工序。認識缺陷形成及分布的規律，并進而提出合理的鑄錠工藝，對于提高大鍛件質量、縮短生產周期、降低材料消耗具有重大意義。從八十年代中期開始，作者與第一重型機器廠合作，對鋼錠凝固過程的溫度場進行了大量研究，建立了鋼錠凝固中傳熱過程的數學模型。同時對發熱劑、保溫劑的發熱機理進行了深入的探討，并建立了相應的數學模型。在此基礎上開發出一套專用的有限元模擬程序MIPS。MIPS可以分析凝固過程中溫度場的分布，確定不同時刻凝固前沿的位置，而且能預測縮孔及疏松的位置及尺寸。使用該程序對一重220噸鋼錠的生產工藝所進行的優化，成功地解決了疏松進入錠身的問題。圖2顯示了工藝改進前后，縮孔及疏松的模擬結果。

(a)原工藝

(b)改進工藝 圖2 220噸鋼錠上縮孔疏松缺陷的分布

四、數值模擬在鑄造和鍛造中的應用展望

鑄造CAE技術為提高傳統鑄造行業的產品質量、企業競爭力提供了強而有力的工具，國內采用鑄造CAE技術的鑄造廠家比倒不大，而國外發達國家采用這一技術的企業比較普遍。隨著世界經濟的一體化及我國加入WTO，鑄造CAE技術將顯得日益重要，最近幾年鑄造CAE軟件的應用情況也表明了越來越多的國內鑄 造企越來越越重視鑄造CAE技術，這將進一步推動鑄造CAE技術的發展．從而最終為鑄造企業刨造更大的經濟和社會效益。

從20 世紀80 年代中期開始，清華大學機械工程系由劉莊教授領導的課題組就一直從事數值模擬技術在大鍛件生產上應用的研究，進行了大量有意義的工作。從鋼錠澆注、鍛件生產及鍛后熱處理，所進行的研究工作覆蓋了大鍛件熱加工生產的各個環節，完成了可以用于鋼錠凝固過程及缺陷預測，鍛造過程及工藝優化，淬、回火過程溫度及應力場分析的計算程序。通過與各生產廠家的密切合作，這些程序已經在生產中得到了實際應用，計算結果與實際情況相當吻合，充分證明了程序的可靠性。利用這些程序已經對很多實際生產工藝進行了優化，取得了顯著的經濟效益。

通過近幾年的應用實例可以看出，數值模擬在鑄造與鍛造方面的應用越來越深入，模擬工作逐步從模擬簡單零件轉向模擬復雜零件，從模擬單工步成形轉向模擬多工步成形。通過模擬所解決的問題不再單純停留在學術上，而更多的與實際相結合，應用于生產之中。

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