材料热加工过程的数值模拟 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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本书重点介绍了材料热加工数值模拟的基本知识，包括基本理论、方法、应用等。根据材料加工学科中包括铸造、塑性加工、焊接和热处理等四个专业领域的情况，本书覆盖材料热加工中的应力应变场、温度场、流场和扩散场数值模拟等四个方面的内容，其中也包括了作者的一部分研究工作。本书是适应材料加工工程学科硕士研究生课程教学的需要而编写的，也可供从事材料热加工的技术人员参考。

第一章　材料热加工过程的应力应变场数值模拟　(1)
1.1　材料热加工过程的固体应力应变数值分析的基本问题和基本方法　(1)
1.2　矩阵分析方法　(2)
1.3　弹性平面问题的有限元法　(6)
1.4　非线性方程组的解法　(19)
1.5　固体单元的刚粘塑性有限元法　(22)
1.6　壳单元的刚粘塑性有限元法　(31)
1.7　小变形弹塑性有限元法　(40)
参考文献　(51)

第二章　材料热加工温度场数值模拟　(53)
2.1　温度场及传热的基本概念　(53)
2.2　传热问题的数值计算　(60)
2.3　温度场数值模拟在热加工中的应用　(87)
参考文献　(95)

第三章　金属热成形过程流场数值模拟　(96)
3.1　金属液充型过程数值模拟方法　(97)
3.2　铸件充型流动的数学模型及数值模拟的前处理　(100)
3.3　数学模型的离散　(106)
3.4　边界条件　(119)
3.5　数值稳定性条件　(123)
3.6　固相析出的处理　(124)
3.7　充型过程流场模拟程序编制　(126)
参考文献　(127)

第四章　金属中的扩散及扩散过程的数值模拟　(129)
4.1　扩散的原子理论　(129)
4.2　扩散过程的宏观描述　(135)
4.3　扩散系数的理论计算与实验测定　(140)
4.4　扩散方程的解及浓度分佈的数值模拟　(153)
4.5　扩散的一般性处理　(176)
参考文献　(181)

前言

　　材料热加工是一项古老的技术，这项技术源远流长，最早可以追溯到青铜器时代。时代发展至今，材料加工工程已经形成一个与经济发展、国防建设紧密相关的技术学科，并纳入到先进制造技术领域之中。它包括铸造、塑性加工、焊接和热处理等诸多领域。

　　材料加工工程学科在发展过程中不断吸取并融入其他学科的成就，尤其是现代先进科学技术的新成就。进入20世纪70年代以来，计算机的软硬件技术取得了前所未有的进展，并渗透到各个领域。在先进制造技术领域，计算机技术引发了虚拟制造技术的热潮，至今方兴未艾。这其中就包括材料热加工过程的数值模拟，亦称为虚拟热加工。

　　若干有关材料热加工过程数值模拟的商业软件已经面世多年。数值模拟亦已成为材料热加工CAD/CAE/CAM系统的一个重要环节。软件模拟材料热加工过程突破了经典的解析解法只能分析稳态的平面或轴对称问题的局限，很多三维的非稳态问题已经可以分析。数值模拟不仅给人们带来了许多通过实验不能得到的信息，而且能够在某种程度上给生产实践以指导。甚至某些企业已将数值模拟作为一道必要的工序。

　　材料热加工过程的数值模拟是一项发展中的技术，因为人们正在使用的软件中也有很多有待解决的问题。材料热加工是一个非常复杂的过程，它包括固体的变形、流体的流变、热能的传递、材料的性变，还有其他各种物理化学场的交互作用等。要模拟这样复杂的过程，就涉及到塑性力学、流变学、传热学、材料物理化学和材料学等各个基础学科，并需要以大量的和精细的热加工实验技术为前提。生产实践中对于数值模拟最基本的要求就是准确，而这又是最难做到的。对于材料热加工这样的复杂过程进行数值模拟，不进行若干简化是不可能的，但是又难以估计简化带来的误差是在工程上可以接受的还是致命的。在无法通过数值化的方法来准确地分析和估计误差的现状下，实验是检验准确性的惟一标准。这便是一些有关数值模拟的国际会议上以实验结果作为标准考题的标准答案的原因。此外，像弹性恢复计算、逆向模拟算法等问题，虽经许多研究者多年探索，但至今仍未取得理论和技术上的根本性解决。目前，高等学校材料加工工程学科的很多教师和研究生都在从事数值模拟方面的研究工作，一些企业的材料热加工技术人员也在使用数值模拟软件。无论是使用或是编制软件，都需要一些有关材料热加工数值模拟的基本知识。本书是为适应材料加工工程学科硕士研究生课程教学的需要而编写的，也可供从事材料热加工的技术人员参考。根据铸造、塑性加工、焊接和热处理四个专业领域的情况，本书重点介绍材料热加工中的应力应变场、温度场、流场和扩散场数值模拟等四个方面的内容，相应地分为材料热加工过程的应力应变场数值模拟、材料热加工温度场数值模拟、金属热成形过程流场数值模拟和金属中的扩散及扩散过程的数值模拟等四章。

　　本书作者为哈尔滨工业大学材料科学与工程学院的张凯锋(第一章)、魏艳红(第二章)、魏尊杰(第三章)和闫牧夫(第四章)。

　　本书力求在适应教学需要的同时能够反映一些本领域的最新成果，同时书中还融入了作者的一部分研究工作。由于本书专业领域覆盖面广，加之作者水平有限，书中疏漏之处在所难免，恳请读者予以指正。

　　在本书撰写和出版过程中承蒙哈尔滨工业大学材料科学与工程学院、教务部和出版社的大力支持，谨致谢意。

编者