第1章 材料加工模型与建模 1
1.1 模型基本概念 1
1.1.1 模型的分类 1
1.1.2 不同类型模型之间的关系 2
1.1.3 模型的本质 3
1.2 数学模型 3
1.2.1 数学模型及其特点 3
1.2.2 数学模型的分类 5
1.2.3 数学模型的评价 8
1.2.4 建立数学模型的目的 9
1.3 建模及模型构造 9
1.3.1 建模 9
1.3.2 模型构造方法 11
1.3.3 建模具体过程 12
1.4 材料加工常用模型与算法 15
1.4.1 基于回归分析的模型及应用 15
1.4.2 基于人工神经网络的模型及应用 16
1.4.3 基于试验化设计的模型及应用 16
1.4.4 相似理论模型及应用 17
1.4.5 基于有限差分法的模型及应用 18
1.4.6 基于有限元法的模型及应用 20
1.4.7 基于热力学计算的模型及应用 21
复习思考题 22
第2章 基于回归分析的建模与分析 24
2.1 回归分析概述 24
2.1.1 回归模型的一般形式 24
2.1.2 回归分析的步骤 25
2.2 线性回归 27
2.2.1 一元线性回归 27
2.2.2 多元线性回归 34
2.3 自变量选择与逐步回归 43
2.3.1 自变量选择 43
2.3.2 逐步回归 47
2.4 非线性回归 47
2.4.1 将非线性问题线性化 47
2.4.2 非线性模型 48
2.5 回归分析在材料加工中的应用 49
2.5.1 规律性分析 49
2.5.2 性能预测 49
2.5.3 加工过程工艺参数优化设计 50
2.5.4 材料常数的确定 51
复习思考题 51
第3章 基于人工神经网络的建模与分析 54
3.1 人工神经网络 54
3.1.1 人工神经网络概述 54
3.1.2 人工神经元 55
3.1.3 人工神经网络构成 57
3.1.4 人工神经网络的工作方式 58
3.1.5 人工神经网络的学习方法 59
3.1.6 Hebb算法 60
3.2 BP网络 61
3.2.1 映射网络与BP网络 61
3.2.2 BP神经元 61
3.2.3 BP网络模型 62
3.2.4 BP网络学习 63
3.2.5 提高BP网络泛化能力 66
3.2.6 BP网络局限 67
3.3 神经网络技术与其他智能方法的结合应用 67
3.3.1 神经网络与专家系统结合 67
3.3.2 神经网络与遗传算法结合 69
3.4 人工神经网络在材料加工中的应用 72
3.4.1 加工基础理论及数据形成 72
3.4.2 加工参数优化 73
3.4.3 加工检测中应用 73
3.4.4 加工后性能预测 74
3.4.5 加工过程及质量控制 74
3.4.6 材料与加工过程设计 75
复习思考题 75
第4章 基于试验设计的建模与分析 76
4.1 试验设计概述 76
4.1.1 试验设计的概念及意义 76
4.1.2 发展概况 76
4.1.3 试验设计的常用术语 77
4.2 正交设计 78
4.2.1 正交表 78
4.2.2 多因素试验 79
4.2.3 有交互作用的试验 84
4.2.4 正交试验的方差分析法 87
4.3 参数设计 91
4.3.1 概述 91
4.3.2 稳健设计 93
4.3.3 灵敏度分析 97
4.4 均匀设计 98
4.5 试验设计在材料加工中的应用实例 99
4.5.1 试验设计在焊接中的应用 100
4.5.2 试验设计在铸造中的应用 101
4.5.3 试验设计在塑性成形中的应用 101
4.5.4 试验设计在热处理中的应用 102
4.5.5 试验设计在火焰喷涂中的应用 102
4.5.6 均匀设计方法在304H钢力学性能试验中的应用 102
复习思考题 103
第5章 相似理论及建模 105
5.1 相似概念及基本定理 105
5.1.1 量纲理论 105
5.1.2 相似的概念 106
5.1.3 相似基本定理 108
5.2 相似准则导出方法 110
5.3 模型相似条件 116
5.4 相似理论在材料加工中的应用 118
复习思考题 119
第6章 有限差分法 121
6.1 差分原理 121
6.2 差分方程与相容性 122
6.2.1 基本的有限差分格式 122
6.2.2 有限差分方程的相容性 126
6.3 收敛性与稳定性 128
6.3.1 有限差分方程的收敛性 128
6.3.2 有限差分方程的稳定性 129
6.3.3 线性差分格式的Lax等价定理 131
6.4 有限差分法在材料加工中的应用 132
复习思考题 133
第7章 有限元法 135
7.1 弹性有限元法 135
7.1.1 有限元法的概念 135
7.1.2 弹性有限元法 142
7.2 弹塑性有限元法 150
7.3 刚塑性有限元法 156
7.3.1 刚塑性变形的边界值问题 156
7.3.2 刚塑性变形的广义变分原理 157
7.3.3 拉格朗日乘子法 158
7.3.4 刚塑性有限元基本分析步骤 159
7.4 大型有限元软件的结构 159
7.4.1 常见的大型有限元软件 159
7.4.2 有限元软件的结构 160
7.5 有限元法在材料加工中的应用 162
7.5.1 热处理 162
7.5.2 铸造成形 162
7.5.3 焊接 163
7.5.4 塑性成形 163
复习思考题 165
第8章 热力学计算 167
8.1 材料热力学基本概念 167
8.1.1 通用热力学基本概念 167
8.1.2 热力学第一定律及其相关基本概念 167
8.1.3 热力学第二定律及其相关基本概念 168
8.1.4 热力学第三定律 170
8.1.5 热力学定律综合 170
8.2 Gibbs自由能模型 172
8.2.1 纯物质的自由能——点阵稳定性常数 172
8.2.2 溶体相模型 174
8.3 热力学数据的测量原理 186
8.3.1 热容 186
8.3.2 相变热的测量 187
8.3.3 生成热的测量 187
8.3.4 熵与熵变的测量 189
8.3.5 Gibbs自由能的测量 190
8.3.6 偏摩尔量的测量 190
8.3.7 由偏摩尔量求积分摩尔量 192
8.4 相图计算与扩散动力学模拟及其应用实例 193
8.4.1 相图计算基本原理 193
8.4.2 相图计算的历史与发展趋势 194
8.4.3 相图计算的基本步骤 197
8.4.4 相图计算的作用 197
8.4.5 应用实例 198
复习思考题 206
第9章 热处理过程建模及数值分析 207
9.1 热处理模拟概述 207
9.2 温度场建模及有限元计算 208
9.2.1 导热方程 209
9.2.2 初始条件与边界条件 210
9.2.3 热物性参数 211
9.2.4 换热系数 211
9.2.5 单元离散化 212
9.2.6 温度场变分方程 215
9.2.7 温度场离散 217
9.2.8 单元分析 218
9.2.9 整体合成 220
9.2.10 温度场算法 222
9.3 组织转变的数值模拟 223
9.3.1 利用连续冷却转变曲线计算组织转变 224
9.3.2 利用等温冷却转变曲线计算组织转变 226
9.4 扩散建模及计算 228
9.4.1 控制方程 228
9.4.2 有限差分法解扩散问题 229
9.5 应用实例 230
9.5.1 活塞杆局部热处理消除焊接应力 231
9.5.2 磁轭拉紧螺杆开裂事故分析 234
复习思考题 239
第10章 铸造过程建模及数值分析 241
10.1 充型过程仿真 241
10.1.1 充型过程的流体力学基础 241
10.1.2 铸件充型过程数值模拟常用方法 247
10.2 凝固过程仿真 250
10.2.1 凝固过程的传热学基础 250
10.2.2 传热方程的有限差分解法 257
10.3 应用实例 263
复习思考题 272
第11章 焊接过程建模及数值分析 274
11.1 焊接熔池的流体动力学分析 274
11.1.1 数学建模 274
11.1.2 数值分析 277
11.2 焊接温度场数值模拟 277
11.2.1 热源模型的确定 277
11.2.2 焊接温度场数值模拟实现 282
11.3 焊接应力与变形分析 284
11.3.1 热弹塑性分析 285
11.3.2 有限元方程及求解 286
11.3.3 求解 287
11.4 应用实例 288
复习思考题 294
第12章 塑性加工过程建模及数值分析 296
12.1 塑性变形中有限元求解 296
12.1.1 刚塑性有限元求解 296
12.1.2 刚黏塑性有限元求解 300
12.2 塑性加工数值模拟的关键技术 301
12.2.1 建模以及可能产生的误差 301
12.2.2 边界条件 302
12.2.3 网格再生 302
12.2.4 确定初始速度场 302
12.3 变形与传热耦合 303
12.3.1 概述 303
12.3.2 塑性加工传热问题的基本理论 303
12.4 应用实例 308
12.4.1 叶片模压实例介绍 308
12.4.2 水泵叶片热弯成形 310
复习思考题 312
第13章 材料加工模拟中常用软件及应用 313
13.1 ANSYS及其应用 313
13.1.1 ANSYS的功能 313
13.1.2 ANSYS的特点 314
13.1.3 ANSYS的结构 314
13.1.4 ANSYS有限元分析 314
13.2 MARC及其应用 330
13.2.1 MARC的特点 330
13.2.2 MARC功能介绍 330
13.3 MAGMAsoft与铸造仿真 332
13.3.1 MAGMAsoft铸造模拟软件简介 332
13.3.2 MAGMAsoft的实现过程 333
13.3.3 MAGMAsoft的工作流程 333
13.3.4 MAGMAsoft模拟过程 333
13.3.5 采用CAD/CAE技术的总体结构 335
13.4 MATLAB及数值分析应用 336
13.4.1 MATLAB软件简介 336
13.4.2 MATLAB基础 339
13.4.3 MATLAB用于神经网络计算 340
13.5 Thermo-Calc与相图计算 342
复习思考题 347
第14章 上机实践 348
14.1 钢的热力学计算 348
14.2 ANSI4140钢端淬温度场仿真实验 360
14.3 神经网络预测结构钢性能 370
参考文献 375