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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