第一篇：分子动力学模拟在材料科学与生命科学的应用听后感悟
分子动力学模拟在材料科学与生命科学的应用听后感悟
当实验研究方法不能满足研究工作的需求时,用计算机模拟却可以提供实验上尚无法获得或很难获得的重要信息;虽然计算机模拟不能完全取代实验,但可以用来指导实验,并验证某些理论假设,从而促进理论和实验的发展。特别是材料形成过程中许多与原子有关的微观细节,在实验中无法获得,而在计算机模拟中即可以方便地得到。这种优点使分子动力学模拟在材料科学研究中显得非常有吸引力。
分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟是指对于原子核和电子所构成的多体系统,求解运动方程(如牛顿方程、哈密顿方程或拉格朗日方程),其中每一个原子核被视为在全部其它原子核和电子作用下运动,通过分析系统中各粒子的受力情况,用经典或量子的方法求解系统中各粒子在某时刻的位置和速度,以确定粒子的运动状态,进而计算系统的结构和性质。20世纪80年代后期,计算机技术飞速发展,加上多体势函数的提出与发展,使分子动力学模拟技术有了进一步的发展。
根据对原子间作用势不同的简化处理方法,分子动力学可划分为经典分子动力学和现代分子动力学。经典分子动力学计算量较小,可以解决较大规模的问题,但针对不同的问题,可能需要确定不同的经验参数。而现代分子动力学直接从量子力学轨道理论出发获取原子间作用势,不需要经验参数,准确性高,但计算量比较大,一般用来解决较小规模的问题。分子动力学模拟在深入研究液体结构,揭示金属熔体的结构演变、非晶倾向及热力学性质计算等方面具有很大的发展和应用前景。金属熔体结构是一个重要的研究领域,采用分子动力学方法从原子层次上描述熔体系统的原子组态及其凝固过程中的演变过程,进行了微观和宏观的良好结合。进一步扩大分子动力学在该领域的应用显然是凝聚态物理的一个热门发展方向。
生物大分子的具体功能正不断的被科学家们解析。借助于一些新表征方法，诸如 X 射线晶体衍射技术、电子晶体学技术、多维核磁共振波谱、冷冻电子显微镜等，人类甚至已经观测到了生物分子中最小的氢原子，因此，更多的注意力被放在研究生物大分子之间的相互关系上。与此同时，具有跨时代意义的“人类基因组计划”以及其后续的多种科研计划导致了海量生物学数据的产生，这些数据迫切的需要进一步的处理与分析。高性能计算机的发展为生物学中海量数据的处理提供了必要条件，信息时代的来临也为现代生物学的发展提供了最广阔的信息交互平台。高性能计算机与网络也成为现代生物学必不可少的一部分，不断推进着更多，更细分的交叉学科的发展。
第二篇：数值模拟在大型锻件中的应用
材料科学计算机数值模拟
学院：材料科学与工程学院 姓名：董璠
学号：S12080502011 专业：材料学
数值模拟在大型铸锻件中的应用
摘要：本文首先介绍数值模拟技术在现代制造中的地位和作用，然后举例说明数值模拟在铸造和锻造中的应用，最后介绍数值模拟在铸造和锻造中的应用展望。关键词：数值模拟 铸造 锻造 应用
一、引言
随着计算机技术的飞速发展，人类社会已经步入了信息时代。计算机及网络不仅改变了人们生活方式，也同样改变了传统机械制造的概念与方法。随着计算机辅助技术(CAX)的广泛应用，计算机已经深入到工业生产的各个环节之中。一个现代的产品制造过程可以这样来描述：当接到生产任务时，首先采用CAD(Computer AidedDesign)系统进行产品设计，其设计结果将由CAE(Computer Aided Engineering)系统对其生产工艺的可行性及合理性进行评估，如果其不满足制造要求或所需要成本太高，将返回到CAD系统中进行重新设计：如果通过了CAE的评估，就将采用CAM(ComputerAided Manufacturing)系统进行实际的生产制造。这一生产模式已在工业发达国家得到了广泛的应用。
将产品设计、工艺制定、生产制造及管理中的计算机辅助技术，通过先进的信息技术结合起来，从而达到进一步缩短产品设计、制造周期，提高产品质量，降低成本，增强产品竞争能力的目的是非常有意义的。
二、数值模拟技术的有关介绍
数值模拟技术是CAE的关键技术。通过建立相应的数学模型，可以在昂贵费时的模具或辅具制造之前，在计算机中对工艺的全过程进行分析。不仅可以通过图形、数据等方法直观地得到诸如温度、应力、载荷等各种信息，而且可预测可能存在的缺陷；通过改变工艺参数对不同方案进行模拟分析，可以从各方案的对比中总结出规律，进而实现工艺的优化。数值模拟技术在保证工件质量，减少材料消耗，提高生产效率，缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。在工业发达国家，数值模拟技术已被认为是生产中必不可少的一个环节，目前在国内数值模拟技术也早已走出象牙塔，并已在实际生产中取得了巨大成功。
2.1 铸造CAE技术
计算机辅助分析又叫计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，简CAE)，是计算机在铸造行业中应用的一个重要领域。一般来说，它通过建立能够准确描述研究对象某一过程的数学模型，采用适当的可行的求解方法，在计算机上模拟研究对象的特定过程，分析有关影响因素，预测这一特定过程的可能趋势与结果。铸造过程数值模拟技术便属于典型的CAE技术。铸造CAE技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造技术，对优化铸造工艺．缩短试制周期牌低铸件成本、提高铸件质量有着重要的作用，它的应用和推广将为铸造行业带来很大的经挤和社会效益。
1989年，世界上第一个铸造CAE商品化软件-MAGAMsoft在德国第七届国际铸造博览会上展出，它由德国Aachen大学的Sahm教授主持开发，以温度场分析为核心内容，运行于工作站上。二十世纪90年代以来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增强，普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度。但是，由于铸件三维应力场问题复杂、算法难度大，当时认为很难在微机上实现。1993年，日本丰田汽车公司在荷兰的第60届世界铸造会议上发表了用大型计算机进行发动机缸体及轮毂三维残余应力分析的文章，标志着铸造凝固过程应力场模拟仿真分析朝着工程实用化迈出了一大步。目前，德国MAGAMsott等商品化软件已具有三维应力场分析功能。最初，它采用FDM/FEM联合分析的技术路线，即用FDM分析流动场、温度场，用FEM来分析应力场。其中FEM采用商品化的有限元分析软件。现在，正全部改用FDM技术。其它CAE商品化软件的应力场分析绝大多数也采用FEM方法，如美国的Procast，但模拟分析的准确度有待进一步提高。
2.2 三维有限元模拟
根据金属材料非线性本构关系式的不同，三维有限元在金属成形过程模拟中的应用主要分为两大类：弹-（粘）塑性和刚-（粘）塑性有限元。2.2.1 弹-(粘）塑性有限元法
这一方法考虑了金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是Prand It-mises 本构方程。它可分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，前者主要分析金属成形过程中的初期情况，后者应用于变形量发生大变化的后期阶段。它们适用于弹性变形量无法忽略的成形过程模拟，广泛应用于板料成形问题分析。在分析金属锻造成形时，不仅能按照变形的路径得到塑性区的发展状况，工件中的应力应变、温度分布规律及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载等问题，计算残余应力及残余应变，从而可预知并避免产品缺陷。但是，弹塑性有限元法要采用增量方式加载，为了保证计算精度和迭代的收敛性，增量步长不可能太大所以在计算变形问题时，计算量大，且需要较长的时间和较多的费用，效率较低。金属成形过程模拟分析中常用到的基于弹-（粘）塑性本构关系的三维有限元分析软件主要有MARC、ANSYS 等，基本方程基于Lagrange 坐标系。2.2.2 刚-(粘）塑性有限元法 这一方法忽略了金属成形过程中的弹性变形，其基本理论是Markov 变分原理。刚-（粘）塑性有限元法适用于锻造、挤压以及轧制等塑性成形问题的分析中，刚-塑性有限元法通常只适用于冷加工。由于刚-（粘）塑性有限元法是一种基于变分原理的有限元方法，使计算的增量步长可以取得大一些，并且该方法可以用小变形的计算方法处理大变形问题，所以刚-（粘）塑性有限元法克服了弹-（粘）塑性有限元法中计算量大、运算时间长、效率低等不足，使计算程序大大简化，达到了较高的计算效率。但该法由于忽略了金属成形中的弹性效应，所以该方法不能求解弹性问题，也不能进行残余应力计算。目前，刚-（粘）塑性有限元法已成为金属体积成形的主要数值模拟方法。采用刚-（粘）塑性本构关系的有限元分析软件有：ALPID、DEFORM 等，其基本方程基于Euler坐标系。
三、数值模拟在铸造和锻造中的应用
3.1 数值模拟在铸造中的应用实例
MAGMAsoft铸造模拟软件是全球最佳的铸造软件工具，为铸造业改善铸件品质、制造过程条件、降低成本、增加竞争力提供了最优选择。MAGMAsoft是为铸造专业人员实现改善铸件质量，优化工艺参数而提供的有力工具，它运用仿真传热及流体的物理行为，凝固过程中的应力及应变，微观组织的形成，MAGMAsoft可以准确地预测铸件缺陷，改善现有工艺的不足，提高铸件质量。
MAGMAsoft适用于所有铸造合金材料的铸造生产，范围白灰铁铸造，铝合金砂型铸造，到大型铸钢件铸造。可应用于铸造部件设计的开发，最佳工艺方案的优化，缩孔、缩松的模拟，钢水充型过程的模拟，以及热处理过程中应力场的模拟。
铸件为一活塞零件，合金材料为ZLl09G，相当于MAGMA材料数据库中的A1Sil2CuNiMg，其组织致密性要求较高，生产的主要问题是铸件内缩松和缩孔严重，模具为金属模，采用一模一腔，重力铸造。运用MAGMA CAE软件的主要分析流程如下：（1）建模
对于MAGMA分析软件来说，其造型功能比较简单，只能做一些简单的工作，对于形状较复杂的零件一般只能借助一些专用CAD软件，如Pm／e、UGII、CATIA等进行建模，MAGMA在前处理过程中可通过图形接口将*．iges或*．sd格式文件直接读入。（2）前处理
在前处理中主要设置铸件的浇冒口位置及大小、分别设置铸件、砂芯、芯盒、浇El入水口(inlet)、跟踪粒子(tracer)，其中设计跟踪粒子的目的是为了分析液态金属液充填结束后杂质和氧化物的运动情况，预测这些杂质是否在金属液凝固之前能够上浮到铸件主体以外，即铸件内部是否会出现夹杂等缺陷。（3）网格划分(Enmeshment)有限元网格的划分是软件进行分析的基础，而且有限单元的大小很重要，有限单元大，即整体单元密度小，会造成分析结果粗糙，不精确；太小，整体单元密度大，分析时会占用大量机时，而且结果也不一定精确。所以在划分时应根据模型的大小及复杂程度，选择合适的有限单元密度。
Enmeshment是专门用于对三维实体模型进行有限元四面体单元网格剖分的模块，借助于这个模块，用户可以直接对由机械CAD系统所建立的*．stl格式的实体模型进行自动的四面体单元划分，这个模块特别适于包括铸件、铸型等在内的多个部件同时进行网格剖分。
(a)粗略划分的有限元网格(b)稀疏不同的有限元网格
图1 活塞零件有限元网格划分
（4）模拟计算(simulation)网格划分好以后，就可以设置所用的各种材料、边界条件、机床型号，及多种工艺过程参数，尤其是一些生产过程参数的设置可在多次模拟计算中加以优化。在进行分析计算时，首先要确定模具的类型，是金属模(permanentmold)，还是砂模(sand mold)，以及分析的目的是计算充填(calculate filling)、凝固(calculate solidification)，还是应力应变(calculate stress)情况，然后选择合金材料及确定在铸造过程中材料的热物理特性参数，如铸造合金、型砂等，这些参数可直接从标准数据库(database)中得到。工艺及铸造条件，浇注温度，或压铸冲头曲线等则由用户直接输入现场的实际参数。参数确定完以后整个分析模拟过程可以自动展开，在分析计算的过程中可随时返回修改有关参数并重新开始分析计算.（5）分析结果
模拟计算结束后，就可以在后处理模块中看到以颜色三维方式显示的模拟结果，进行模拟结果分析。
根据流体模拟模块MAGMA fill我们可以获得以下信息：铸型充填的方式、金属液在型腔中流动的方向与速度、溶融金属液温度分布及温降情况、溶融金属液压力场分布、在充填过程中可能发生浇不到、冷隔及冲砂的位置、发生潜在夹渣的位置。
3.2 数值模拟在锻造中的应用实例
众所周知，大型锻造用钢锭中一般存在缩孔、疏松、夹杂和偏析等缺陷。这些缺陷的存在会增大材料的消耗，而且可能会影响到后续锻造工序。认识缺陷形成及分布的规律，并进而提出合理的铸锭工艺，对于提高大锻件质量、缩短生产周期、降低材料消耗具有重大意义。从八十年代中期开始，作者与第一重型机器厂合作，对钢锭凝固过程的温度场进行了大量研究，建立了钢锭凝固中传热过程的数学模型。同时对发热剂、保温剂的发热机理进行了深入的探讨，并建立了相应的数学模型。在此基础上开发出一套专用的有限元模拟程序MIPS。MIPS可以分析凝固过程中温度场的分布，确定不同时刻凝固前沿的位置，而且能预测缩孔及疏松的位置及尺寸。使用该程序对一重220吨钢锭的生产工艺所进行的优化，成功地解决了疏松进入锭身的问题。图2显示了工艺改进前后，缩孔及疏松的模拟结果。
(a)原工艺
(b)改进工艺 图2 220吨钢锭上缩孔疏松缺陷的分布
四、数值模拟在铸造和锻造中的应用展望
铸造CAE技术为提高传统铸造行业的产品质量、企业竞争力提供了强而有力的工具，国内采用铸造CAE技术的铸造厂家比倒不大，而国外发达国家采用这一技术的企业比较普遍。随着世界经济的一体化及我国加入WTO，铸造CAE技术将显得日益重要，最近几年铸造CAE软件的应用情况也表明了越来越多的国内铸 造企越来越越重视铸造CAE技术，这将进一步推动铸造CAE技术的发展．从而最终为铸造企业刨造更大的经济和社会效益。
从20 世纪80 年代中期开始，清华大学机械工程系由刘庄教授领导的课题组就一直从事数值模拟技术在大锻件生产上应用的研究，进行了大量有意义的工作。从钢锭浇注、锻件生产及锻后热处理，所进行的研究工作覆盖了大锻件热加工生产的各个环节，完成了可以用于钢锭凝固过程及缺陷预测，锻造过程及工艺优化，淬、回火过程温度及应力场分析的计算程序。通过与各生产厂家的密切合作，这些程序已经在生产中得到了实际应用，计算结果与实际情况相当吻合，充分证明了程序的可靠性。利用这些程序已经对很多实际生产工艺进行了优化，取得了显著的经济效益。
通过近几年的应用实例可以看出，数值模拟在铸造与锻造方面的应用越来越深入，模拟工作逐步从模拟简单零件转向模拟复杂零件，从模拟单工步成形转向模拟多工步成形。通过模拟所解决的问题不再单纯停留在学术上，而更多的与实际相结合，应用于生产之中。
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