Page 49 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第一章 高温合金与热加工技术概述

作为第一阶段；机械化（人工控制）为第二阶段；机械化（数控）为第三阶段；
智能化（初步）为第四阶段；智能化为第五阶段。最高阶段的智能化即对应目前
的智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）。我国制造业的发展参差不齐，发

达国家在数字化、信息化、智能化方面投入早、力度大，目前工艺水平处于第四
和第五阶段；国内的一些大型企业在数字化、信息化方面投入较大，目前也接近
第四和第五阶段；而国内有些中小型企业是处于第一到第四的混合阶段。因为传
统的铸锻件试制和生产，没有现在的先进仿真手段，只能凭借经验一遍遍地试验

不同的工艺方案（试错法），进行不断改进，直至成功。如铸造行业，应用先进
的铸造模拟软件进行铸造工艺仿真分析，彻底改变过去那种“睁眼造型，闭眼浇
铸”的被动落后生产技术状况，成为现代铸造发展的一个重要方向。精密化、复
杂化、整体化、轻量化是热加工件的发展趋势，对应的热加工工艺数值模拟技术

也逐步被深入应用在产品创新中。
（二）热加工工艺 CAE 技术的应用
CAE 工艺模拟技术可以将“隐患”消灭在计算机虚拟加工的反复比较中，从而
确保关键大件一次制造成功。CAE 技术涉及多个学科，目前采用高性能计算（HPC）

进行多学科多物理场多尺度计算，能够直接定量地指导材料热加工过程，体现了基
础学科、高新技术与材料热加工学科三者之间的有机结合，因为金属材料热加工是
材料与制造两大行业的交叉和接口技术，关系到装备的使用性能与寿命。

1. 国内外 CAE 技术的应用对比
根据 2019 年机械科学研究院、机械部先进制造技术研究中心梳理的国外
材料热加工工艺模拟技术考察报告可知，发达国家应用热加工工艺 CAE 技术提
升其研发能力已很广泛。如俄罗斯 Quntor 公司采用数值模拟方法优化锻模，达
到了提高模具寿命、改善零件精度的目的。据美国净成形工程研究中心（NSW/

ERC）的研究，模锻数值模拟占到工作量的比例为 60%、管件液压成形 40%；对
于软件由于简化而导致误差过大时，通过实验或物理模拟（工艺模拟实验 + 工艺
实际验证同义于“数字孪生”）进行修正。一旦确定误差并加以修正后，应结合
工程实践进行应用，发挥数值模拟的作用，节省实验花费。由于铸造、锻造、焊

接、增材及热处理软件融合了前端可行性评估、几何和过程优化，以及详细的过
程验证于一体，可以通过瞬态的模拟，可以得到如焊接过程的温度场、相变、变
形、屈服应力、塑性应变、残余应力等。

33