第一篇：分子動力學(xué)模擬在材料科學(xué)與生命科學(xué)的應(yīng)用聽后感悟

分子動力學(xué)模擬在材料科學(xué)與生命科學(xué)的應(yīng)用聽后感悟

當(dāng)實驗研究方法不能滿足研究工作的需求時,用計算機(jī)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(jī)模擬不能完全取代實驗,但可以用來指導(dǎo)實驗,并驗證某些理論假設(shè),從而促進(jìn)理論和實驗的發(fā)展。特別是材料形成過程中許多與原子有關(guān)的微觀細(xì)節(jié),在實驗中無法獲得,而在計算機(jī)模擬中即可以方便地得到。這種優(yōu)點(diǎn)使分子動力學(xué)模擬在材料科學(xué)研究中顯得非常有吸引力。

分子動力學(xué)(Molecular Dynamics,MD)模擬是指對于原子核和電子所構(gòu)成的多體系統(tǒng),求解運(yùn)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(yùn)動,通過分析系統(tǒng)中各粒子的受力情況,用經(jīng)典或量子的方法求解系統(tǒng)中各粒子在某時刻的位置和速度,以確定粒子的運(yùn)動狀態(tài),進(jìn)而計算系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。20世紀(jì)80年代后期,計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,加上多體勢函數(shù)的提出與發(fā)展,使分子動力學(xué)模擬技術(shù)有了進(jìn)一步的發(fā)展。

根據(jù)對原子間作用勢不同的簡化處理方法,分子動力學(xué)可劃分為經(jīng)典分子動力學(xué)和現(xiàn)代分子動力學(xué)。經(jīng)典分子動力學(xué)計算量較小,可以解決較大規(guī)模的問題,但針對不同的問題,可能需要確定不同的經(jīng)驗參數(shù)。而現(xiàn)代分子動力學(xué)直接從量子力學(xué)軌道理論出發(fā)獲取原子間作用勢,不需要經(jīng)驗參數(shù),準(zhǔn)確性高,但計算量比較大,一般用來解決較小規(guī)模的問題。分子動力學(xué)模擬在深入研究液體結(jié)構(gòu),揭示金屬熔體的結(jié)構(gòu)演變、非晶傾向及熱力學(xué)性質(zhì)計算等方面具有很大的發(fā)展和應(yīng)用前景。金屬熔體結(jié)構(gòu)是一個重要的研究領(lǐng)域,采用分子動力學(xué)方法從原子層次上描述熔體系統(tǒng)的原子組態(tài)及其凝固過程中的演變過程,進(jìn)行了微觀和宏觀的良好結(jié)合。進(jìn)一步擴(kuò)大分子動力學(xué)在該領(lǐng)域的應(yīng)用顯然是凝聚態(tài)物理的一個熱門發(fā)展方向。

生物大分子的具體功能正不斷的被科學(xué)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(shù)、電子晶體學(xué)技術(shù)、多維核磁共振波譜、冷凍電子顯微鏡等，人類甚至已經(jīng)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(guān)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(xù)的多種科研計劃導(dǎo)致了海量生物學(xué)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)迫切的需要進(jìn)一步的處理與分析。高性能計算機(jī)的發(fā)展為生物學(xué)中海量數(shù)據(jù)的處理提供了必要條件，信息時代的來臨也為現(xiàn)代生物學(xué)的發(fā)展提供了最廣闊的信息交互平臺。高性能計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)也成為現(xiàn)代生物學(xué)必不可少的一部分，不斷推進(jìn)著更多，更細(xì)分的交叉學(xué)科的發(fā)展。

第二篇：數(shù)值模擬在大型鍛件中的應(yīng)用

材料科學(xué)計算機(jī)數(shù)值模擬

學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院 姓名：董璠

學(xué)號：S12080502011 專業(yè)：材料學(xué)

數(shù)值模擬在大型鑄鍛件中的應(yīng)用

摘要：本文首先介紹數(shù)值模擬技術(shù)在現(xiàn)代制造中的地位和作用，然后舉例說明數(shù)值模擬在鑄造和鍛造中的應(yīng)用，最后介紹數(shù)值模擬在鑄造和鍛造中的應(yīng)用展望。關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 鑄造 鍛造 應(yīng)用

一、引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人類社會已經(jīng)步入了信息時代。計算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)不僅改變了人們生活方式，也同樣改變了傳統(tǒng)機(jī)械制造的概念與方法。隨著計算機(jī)輔助技術(shù)(CAX)的廣泛應(yīng)用，計算機(jī)已經(jīng)深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)之中。一個現(xiàn)代的產(chǎn)品制造過程可以這樣來描述：當(dāng)接到生產(chǎn)任務(wù)時，首先采用CAD(Computer AidedDesign)系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，其設(shè)計結(jié)果將由CAE(Computer Aided Engineering)系統(tǒng)對其生產(chǎn)工藝的可行性及合理性進(jìn)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(tǒng)中進(jìn)行重新設(shè)計：如果通過了CAE的評估，就將采用CAM(ComputerAided Manufacturing)系統(tǒng)進(jìn)行實際的生產(chǎn)制造。這一生產(chǎn)模式已在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了廣泛的應(yīng)用。

將產(chǎn)品設(shè)計、工藝制定、生產(chǎn)制造及管理中的計算機(jī)輔助技術(shù)，通過先進(jìn)的信息技術(shù)結(jié)合起來，從而達(dá)到進(jìn)一步縮短產(chǎn)品設(shè)計、制造周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，增強(qiáng)產(chǎn)品競爭能力的目的是非常有意義的。

二、數(shù)值模擬技術(shù)的有關(guān)介紹

數(shù)值模擬技術(shù)是CAE的關(guān)鍵技術(shù)。通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以在昂貴費(fèi)時的模具或輔具制造之前，在計算機(jī)中對工藝的全過程進(jìn)行分析。不僅可以通過圖形、數(shù)據(jù)等方法直觀地得到諸如溫度、應(yīng)力、載荷等各種信息，而且可預(yù)測可能存在的缺陷；通過改變工藝參數(shù)對不同方案進(jìn)行模擬分析，可以從各方案的對比中總結(jié)出規(guī)律，進(jìn)而實現(xiàn)工藝的優(yōu)化。數(shù)值模擬技術(shù)在保證工件質(zhì)量，減少材料消耗，提高生產(chǎn)效率，縮短試制周期等方面顯示出無可比擬的優(yōu)越性。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，數(shù)值模擬技術(shù)已被認(rèn)為是生產(chǎn)中必不可少的一個環(huán)節(jié)，目前在國內(nèi)數(shù)值模擬技術(shù)也早已走出象牙塔，并已在實際生產(chǎn)中取得了巨大成功。

2.1 鑄造CAE技術(shù)

計算機(jī)輔助分析又叫計算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，簡CAE)，是計算機(jī)在鑄造行業(yè)中應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域。一般來說，它通過建立能夠準(zhǔn)確描述研究對象某一過程的數(shù)學(xué)模型，采用適當(dāng)?shù)目尚械那蠼夥椒ǎ谟嬎銠C(jī)上模擬研究對象的特定過程，分析有關(guān)影響因素，預(yù)測這一特定過程的可能趨勢與結(jié)果。鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)便屬于典型的CAE技術(shù)。鑄造CAE技術(shù)是利用計算機(jī)技術(shù)來改造和提升傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，對優(yōu)化鑄造工藝．縮短試制周期牌低鑄件成本、提高鑄件質(zhì)量有著重要的作用，它的應(yīng)用和推廣將為鑄造行業(yè)帶來很大的經(jīng)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(xué)的Sahm教授主持開發(fā)，以溫度場分析為核心內(nèi)容，運(yùn)行于工作站上。二十世紀(jì)90年代以來，鑄造CAE商品化軟件功能逐漸增強(qiáng)，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(yīng)力場問題復(fù)雜、算法難度大，當(dāng)時認(rèn)為很難在微機(jī)上實現(xiàn)。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(fā)表了用大型計算機(jī)進(jìn)行發(fā)動機(jī)缸體及輪轂三維殘余應(yīng)力分析的文章，標(biāo)志著鑄造凝固過程應(yīng)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(yīng)力場分析功能。最初，它采用FDM/FEM聯(lián)合分析的技術(shù)路線，即用FDM分析流動場、溫度場，用FEM來分析應(yīng)力場。其中FEM采用商品化的有限元分析軟件。現(xiàn)在，正全部改用FDM技術(shù)。其它CAE商品化軟件的應(yīng)力場分析絕大多數(shù)也采用FEM方法，如美國的Procast，但模擬分析的準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高。

2.2 三維有限元模擬

根據(jù)金屬材料非線性本構(gòu)關(guān)系式的不同，三維有限元在金屬成形過程模擬中的應(yīng)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(yīng)，其理論基礎(chǔ)是Prand It-mises 本構(gòu)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(yīng)用于變形量發(fā)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(yīng)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(qū)的發(fā)展?fàn)顩r，工件中的應(yīng)力應(yīng)變、溫度分布規(guī)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(yīng)力及殘余應(yīng)變，從而可預(yù)知并避免產(chǎn)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(fèi)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(gòu)關(guān)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(biāo)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(yùn)算時間長、效率低等不足，使計算程序大大簡化，達(dá)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(yīng)，所以該方法不能求解彈性問題，也不能進(jìn)行殘余應(yīng)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(shù)值模擬方法。采用剛-（粘）塑性本構(gòu)關(guān)系的有限元分析軟件有：ALPID、DEFORM 等，其基本方程基于Euler坐標(biāo)系。

三、數(shù)值模擬在鑄造和鍛造中的應(yīng)用

3.1 數(shù)值模擬在鑄造中的應(yīng)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(yè)改善鑄件品質(zhì)、制造過程條件、降低成本、增加競爭力提供了最優(yōu)選擇。MAGMAsoft是為鑄造專業(yè)人員實現(xiàn)改善鑄件質(zhì)量，優(yōu)化工藝參數(shù)而提供的有力工具，它運(yùn)用仿真?zhèn)鳠峒傲黧w的物理行為，凝固過程中的應(yīng)力及應(yīng)變，微觀組織的形成，MAGMAsoft可以準(zhǔn)確地預(yù)測鑄件缺陷，改善現(xiàn)有工藝的不足，提高鑄件質(zhì)量。

MAGMAsoft適用于所有鑄造合金材料的鑄造生產(chǎn)，范圍白灰鐵鑄造，鋁合金砂型鑄造，到大型鑄鋼件鑄造?？蓱?yīng)用于鑄造部件設(shè)計的開發(fā)，最佳工藝方案的優(yōu)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(yīng)力場的模擬。

鑄件為一活塞零件，合金材料為ZLl09G，相當(dāng)于MAGMA材料數(shù)據(jù)庫中的A1Sil2CuNiMg，其組織致密性要求較高，生產(chǎn)的主要問題是鑄件內(nèi)縮松和縮孔嚴(yán)重，模具為金屬模，采用一模一腔，重力鑄造。運(yùn)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(fù)雜的零件一般只能借助一些專用CAD軟件，如Pm／e、UGII、CATIA等進(jìn)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(shè)置鑄件的澆冒口位置及大小、分別設(shè)置鑄件、砂芯、芯盒、澆El入水口(inlet)、跟蹤粒子(tracer)，其中設(shè)計跟蹤粒子的目的是為了分析液態(tài)金屬液充填結(jié)束后雜質(zhì)和氧化物的運(yùn)動情況，預(yù)測這些雜質(zhì)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(nèi)部是否會出現(xiàn)夾雜等缺陷。（3）網(wǎng)格劃分(Enmeshment)有限元網(wǎng)格的劃分是軟件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)，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(jié)果粗糙，不精確；太小，整體單元密度大，分析時會占用大量機(jī)時，而且結(jié)果也不一定精確。所以在劃分時應(yīng)根據(jù)模型的大小及復(fù)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(jìn)行有限元四面體單元網(wǎng)格剖分的模塊，借助于這個模塊，用戶可以直接對由機(jī)械CAD系統(tǒng)所建立的*．stl格式的實體模型進(jìn)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(nèi)的多個部件同時進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

(a)粗略劃分的有限元網(wǎng)格(b)稀疏不同的有限元網(wǎng)格

圖1 活塞零件有限元網(wǎng)格劃分

（4）模擬計算(simulation)網(wǎng)格劃分好以后，就可以設(shè)置所用的各種材料、邊界條件、機(jī)床型號，及多種工藝過程參數(shù)，尤其是一些生產(chǎn)過程參數(shù)的設(shè)置可在多次模擬計算中加以優(yōu)化。在進(jìn)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(yīng)力應(yīng)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(shù)，如鑄造合金、型砂等，這些參數(shù)可直接從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)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(xiàn)場的實際參數(shù)。參數(shù)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(guān)參數(shù)并重新開始分析計算.（5）分析結(jié)果

模擬計算結(jié)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(jié)果，進(jìn)行模擬結(jié)果分析。

根據(jù)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(fā)生澆不到、冷隔及沖砂的位置、發(fā)生潛在夾渣的位置。

3.2 數(shù)值模擬在鍛造中的應(yīng)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(xù)鍛造工序。認(rèn)識缺陷形成及分布的規(guī)律，并進(jìn)而提出合理的鑄錠工藝，對于提高大鍛件質(zhì)量、縮短生產(chǎn)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(jī)器廠合作，對鋼錠凝固過程的溫度場進(jìn)行了大量研究，建立了鋼錠凝固中傳熱過程的數(shù)學(xué)模型。同時對發(fā)熱劑、保溫劑的發(fā)熱機(jī)理進(jìn)行了深入的探討，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上開發(fā)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(yù)測縮孔及疏松的位置及尺寸。使用該程序?qū)σ恢?20噸鋼錠的生產(chǎn)工藝所進(jìn)行的優(yōu)化，成功地解決了疏松進(jìn)入錠身的問題。圖2顯示了工藝改進(jìn)前后，縮孔及疏松的模擬結(jié)果。

(a)原工藝

(b)改進(jìn)工藝 圖2 220噸鋼錠上縮孔疏松缺陷的分布

四、數(shù)值模擬在鑄造和鍛造中的應(yīng)用展望

鑄造CAE技術(shù)為提高傳統(tǒng)鑄造行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、企業(yè)競爭力提供了強(qiáng)而有力的工具，國內(nèi)采用鑄造CAE技術(shù)的鑄造廠家比倒不大，而國外發(fā)達(dá)國家采用這一技術(shù)的企業(yè)比較普遍。隨著世界經(jīng)濟(jì)的一體化及我國加入WTO，鑄造CAE技術(shù)將顯得日益重要，最近幾年鑄造CAE軟件的應(yīng)用情況也表明了越來越多的國內(nèi)鑄 造企越來越越重視鑄造CAE技術(shù)，這將進(jìn)一步推動鑄造CAE技術(shù)的發(fā)展．從而最終為鑄造企業(yè)刨造更大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

從20 世紀(jì)80 年代中期開始，清華大學(xué)機(jī)械工程系由劉莊教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組就一直從事數(shù)值模擬技術(shù)在大鍛件生產(chǎn)上應(yīng)用的研究，進(jìn)行了大量有意義的工作。從鋼錠澆注、鍛件生產(chǎn)及鍛后熱處理，所進(jìn)行的研究工作覆蓋了大鍛件熱加工生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，完成了可以用于鋼錠凝固過程及缺陷預(yù)測，鍛造過程及工藝優(yōu)化，淬、回火過程溫度及應(yīng)力場分析的計算程序。通過與各生產(chǎn)廠家的密切合作，這些程序已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了實際應(yīng)用，計算結(jié)果與實際情況相當(dāng)吻合，充分證明了程序的可靠性。利用這些程序已經(jīng)對很多實際生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

通過近幾年的應(yīng)用實例可以看出，數(shù)值模擬在鑄造與鍛造方面的應(yīng)用越來越深入，模擬工作逐步從模擬簡單零件轉(zhuǎn)向模擬復(fù)雜零件，從模擬單工步成形轉(zhuǎn)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(xué)術(shù)上，而更多的與實際相結(jié)合，應(yīng)用于生產(chǎn)之中。

五、參考文獻(xiàn)

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