材料作为21世纪的支柱产业之一，越来越显示其重要地位。而对于材料加工，大家并不陌生。从小我们就在电视上看到钢铁厂的各种大生产的过程，冶炼、铸造、锻造、焊接……这些工艺，组成了传统的材料加工工艺。随着现代计算机技术的发展，这些传统的工艺过程能够通过计算机这一先进工具集进行模拟，甚至材料的细微结构如显微组织、原子结构等也能通过计算机这一强大的工具来实现模拟。人类逐渐摆脱了以往基本由经验来设计材料的弊端，开始进入现代通过理论以及计算机这一“可靠的助手”来进行材料设计的新纪元。在不少发达国家的一些钢铁厂，从钢的冶炼，到铸造、压力加工、焊接等一系列加工过程都能实现由计算机进行精确的控制和预测。越来越多的实验都可以在计算机上进行模拟和预测，这样可以节省大量的人力物力，减少环境污染，大大提高效率，真正实现“节能减排”……那么，现在就让我们一起进入神奇的材料加工计算模拟的世界吧！

一、为什么进行计算模拟

模拟的主要目的是将理论与实验工作直接结合起来。首先是建立模型，这个模型要有一个可靠的理论基础，考虑世界的真实性。基于理论的模型才能够预测实验行为，也才能够使实验者根据现代理论解释实验结果。反过来，模拟进一步完善理论和实验研究。也就是说模拟离不开理论和实验，它们相互影响、相互促进。例如，我们可以通过模拟计算出一个传统的加工工艺为什么会出现问题，然后结合理论知识改进工艺方案，最后通过实际生产来验证改进的模拟结果，进一步也验证了所用模型、理论的合理性。

计算模拟架起了从微观到宏观，从基础研究到工程应用的桥梁。小到原子分子，大到飞机航母等尺度的材料行为都能通过不同的模拟方法进行计算模拟。甚至随着材料科学和计算机的发展，我们能实现多尺度的耦合模拟，毋庸置疑，这大大扩宽了人类认识的眼界。

典型模拟方法及所对应的模拟尺度

二、有限元方法

有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，也就是划分网格。这些单元仅在顶角处相互连接，这些连接点称为结点。在有限元法中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点中力与位移之间的特性关系，得到一组代数方程，用计算机求解从而得到所有结点的性质。有限元方法原则上可以求解任何复杂的偏微分方程和任何复杂的求解区域问题。

网格划分	有限元模拟人脚走路受力情况

三、先进铸造工艺计算模拟

大家对铸造过程并不陌生，传统的铸造工艺是“睁眼造型，闭眼浇注”。我们不禁要问“闭眼”操作能做好吗？没错，“眼见为实”在铸造工艺设计中非常重要，而金属液一旦进入模具型腔之后我们就无法看到其动态流动、温度分布以及凝固过程。所以工程师们只能凭经验和想象来设计模具，这很令人头疼，那么如何才能看到整个铸造过程，让其在我们面前变得“可视”，从而优化铸造工艺呢？

• ―首先采用计算机模拟技术和现代铸造理论，模拟铸件充型、温度分布和凝固过程；
• ―其次用三维X射线实时观察和监测浇注过程获得初步试验数据；
• ―最后通过实际浇铸生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的生产工艺。

通过这样三步，我们就实现了“可视化铸造”！（如下图动画所示）

计算机模拟	X射线实时观察	实际生产

图中是一个大型钢锭的充型过程模拟，其中用到专业模拟软件view cast，从动画中我们可以清楚的看到整个铸件充型过程。

此动画显示了钢锭的冷却过程中温度的变化过程，其中不同的颜色代表不同的温度，这样温度这一不可见的过程也将变得“可视”。

四、先进锻造工艺计算模拟

锻造加工的悠久历史 锻造=打铁？？No！！

曲拐加工工艺的计算机模拟

工艺的模拟和工厂试制的比较