Page 55 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第二章 数值模拟基础理论与方法

第二章 数值模拟基础理论与方法

第一节 有限元法（FEM）在热加工中的应用原理

热加工是指金属材料在高于再结晶开始温度条件下进行的塑性加工过程。热

变形时加工硬化与再结晶软化过程同时存在，而加工硬化又几乎同时被再结晶消
除。由于变形温度高，材料的变形抗力小、塑性好，有利于加工成型，所以热变
形是金属塑性加工的主要方法，常见的热变形方法有挤压、轧制和锻造等。高温
合金是指在 760℃ ~1500℃以上及一定应力条件下长期工作的高温金属材料，具

有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性
等综合性能。高温合金的服役条件要求其在高温下保持较高的强度，并且大多数
高温合金具有高温低塑性，所以高温合金的热加工难度比普通钢材大，为了获得
优质构件，需要通过计算机数值模拟来研究整个工艺过程，分析工艺参数对热加

工组织和材料性能的影响。有限元方法是研究高温合金热加工过程中相关参数对
性能影响的常用数值模拟方法，该方法为高温合金实际生产中工艺参数的制定和
优化提供了理论依据，并最大程度地降低了反复实验所带来的成本。

一、有限元数值模拟方法的基本原理

在热加工领域，常利用现代数值法解决一些塑性加工问题，研究多种工艺因
素对塑性加工过程的影响，常用的方法有有限差分法、有限元法、边界元法和有
限体积法。目前，应用最为广泛的数值模拟方法是有限元法（FEM）。所谓有

限元法是把变形体看作有限个单元体的集合，分别对每一个有限元按照要求进行
计算，最后把计算结果整合，一般划分的有限元个数越多计算结果越精确。其本
质思想是：当在全域内描述力学场微分方程的原函数困难时，则用有限个单元将
求解域离散化；在单元内假设满足边界条件的原函数，并考虑单元之间的联系，
最终求得全域的解。有限元求解的一般步骤为：①定义问题及求解域；②解域离

散化；③确定变量和控制方法；④建立单元试函数；⑤总装求解和联立求解。在

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