1.2 材料成形方法及数值模拟
1.2.1 常用材料成形方法
在现代制造业中，材料成形是生产各种零件或零件毛坯的主要方法。对金属材料而言，按原料的形态其成形过程可分为液态成形、固态成形和半固态成形。
液态成形方法是将液态金属浇注到具有和机械零件形状相适应的铸型型腔中，经过凝固、冷却之后，获得毛坯或零件的材料成形方法。固态成形方法主要包括金属塑性加工、焊接、粉末冶金及切削加工，其中金属塑性加工又主要包括轧制、挤压、拉拔、冲压和锻造，在现代制造业中占有重要地位。半固态成形是指将金属加热到半流动状态，然后用压力加工成产品或毛坯件。
塑性加工工艺根据变形特征的不同又可分为体积成形和板料成形。体积成形是通过金属材料体积的大量转移来获得产品，其特点是金属产生了较大的塑性变形，因此要求材料具有较好的塑性，成形过程通常在加热状态下进行，如轧制、挤压、锻造等工艺方法。板料成形是利用模具对板料进行塑性加工，成形时金属材料的塑性变形不是太大，通常材料的刚性平动、转动和变形同时发生，如冲压、旋压和冷轧等工艺方法。
1.2.2 数值模拟方法及软件构成
（1）数值模拟方法
材料成形的工艺方法种类繁多，涉及的物理、化学和力学现象十分复杂，是一个多学科交叉、融合的研究和应用领域。材料成形过程的基本规律可以用一组微分方程及边值问题来描述，例如材料成形过程中需满足的流动方程、热传导方程、运动方程和力平衡方程等，以及还需要满足的力边界条件、位移边界条件或热传导边界条件等。这些微分方程（组）通常称为控制方程，例如板料在冲压过程中，变形体需要满足动力学平衡方程、力边界条件及位移边界条件：
在整个变形体内满足动力学平衡方程：
（1-1）
在边界Sσ满足力边界条件：
（1-2）
在边界Su满足位移边界条件：
（1-3）
对于工程中的绝大多数问题，微分方程及边值问题只能采用前面所述数值分析的方法解决。上述板料冲压过程中的动力学方程及边界条件可以根据变分法或加权余量法转化为有限元方程，从而实现对整个问题的求解。
所以材料的成形过程还未实际进行时，就可以根据其工艺方案和成形原理采用数值分析的方法在计算机上进行数值计算和模拟，检验该方案的可行性，为方案的改进和优化提供依据，节省生产成本。
（2）数值模拟软件构成
数值模拟是根据工程问题的基本规律（控制方程和边界条件），利用计算机程序求出满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学的重要成果和推动力之一。其基本特点是：对研究区域进行离散化，使处处满足控制方程和边界条件的场变量化为仅在离散点上满足控制方程和边界条件导出的代数方程组，将一个连续的、无限自由度问题变成离散的、有限自由度问题。
现代工程学已经发展了众多的数值模拟软件，数值模拟软件通常有前处理、求解器（数值计算）、后处理三部分组成。
①前处理 前处理主要完成实体造型、网格划分、物性赋值及定义单元类型等。实体造型是将研究问题直接进行几何造型，或将其他CAD软件完成的几何造型输入到CAE软件中。网格划分是将连续的实体进行离散化，形成节点和单元。物性赋值是将研究问题的各种物理参数，即问题涉及的各种力学参数、热力学参数、液体流动参数等输入计算机中。定义单元类型就是根据研究问题的特性将其定义为实体、板、壳、梁等单元类型。
②求解器 求解器完成的主要功能就是数值计算，主要包括施加载荷、设定时间步和计算控制条件、求解计算等。
③后处理 后处理主要完成计算结果的显示和分析，根据成形缺陷准则完成结果评判，为后续分析和优化提供分析依据等。