为适应材料成形模拟技术快速发展的需要，本书作为“智能制造系列丛书”的组成部分，致力于阐述成形模拟的系统性、基础性和前瞻性内容。全书包含7章。第1章阐述材料成形模拟的基本方法，第2～6章分别解析板料成形、锻造、铸造、焊接、塑料注射成形等主要成形工艺的模拟方法，第7章简要介绍当前的常用材料成形模拟软件。
本书可供从事材料成形模拟技术研究、开发的科技工作者参考，也可作为研究生的教学参考书。

周华民，华中科技大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，百千万人才工程国家级人选，国家万人计划科技创新领军人才，中国青年科技奖获得者。现任华中科技大学材料科学与工程学院院长，材料成形与模具技术国家重点实验室主任，兼任国务院学位委员会学科评议组成员，中国兵工学会精密成形工程专委会主任，国内外多个学术期刊编委。主要从事材料成形工艺、模拟、智能装备的研究，发表论文200余篇，其中SCI收录100余篇，做学术会议邀请报告30多次，授权发明专利30余项，先后获国家科学技术进步奖二等奖2项、国家自然科学奖二等奖1项。

第1章 成形模拟的基本方法
1.1 有限单元法
1.1.1 基础理论
1.1.2 单元和插值函数的构造
1.2 有限差分法
1.2.1 基本原理
1.2.2 逼近误差
1.2.3 差分方程、截断误差和相容性
1.2.4 改敛性与稳定性
1.2.5 拉克斯等价定理
1.3 边界元法
1.3.1 数学基础
1.3.2 位势问题
1.3.3 线弹性静力学问题
1.3.4 寸间相关问题
1.4 有限体积法
1.4.1 基本原理
1.4.2 扩散问题
1.4.3 对流扩散问题
1.4.4 瞬态问题
参考文献
第2章 板料成形模拟方法
2.1 引言
2.2 板壳单元
2.2.1 薄膜单元
2.2.2 薄壳单元
2.2.3 中厚壳单元
2.2.4 等效弯曲单元
2.3 本构方程
2.3.1 J2流动理论
2.3.2 J2随动强化理论
2.3.3 各向异性理论
2.4 各向异性屈服函数
2.4.1 Hill正交各向异性函数
2.4.2 Barlat_Lian屈服函数
2.4.3 Barlat六参量正交各向异性屈服函数
2.5 工艺条件约束处理
2.5.1 罚函数法
2.5.2 防御节点法
2.5.3 摩擦力的计算
2.5.4 板料冲压成形界面滑动约束处理
2.6 接触搜索判断
2.6.1 工具形状的定义
2.6.2 接触判断
2.7 板料成形有限元方法
2.7.1 非线性方程组迭代解法
2.7.2 板料成形全量拉格朗日有限元方法
2.7.3 板料成形修正拉格朗日有限元方法
2.7.4 板料成形虚功率增量型有限元方法
2.7.5 板料成形数值模拟算例
2.8 板料成形显式有限元方法
2.8.1 动力分析的虚功（率）方程
2.8.2 动力显式积分算法有限元方程
2.8.3 显式时间积分的中心差分算法
2.8.4 临界时间步长的确定
2.9 板料成形有限元逆算法
2.9.1 有限元逆算法基本理论
2.9.2 初始场猜测
2.9.3 逆算法算例
参考文献
第3章 锻造成形模拟方法
3.1 刚塑性有限元法
3.1.1 概述
3.1.2 刚塑性变分原理
3.1.3 刚塑性有限元列式
3.1.4 刚黏塑性有限元法
3.1.5 计算实例
3.2 弹塑性有限元法
3.2.1 小变形弹塑性有限元法
3.2.2 有限应变弹塑性有限元分析
3.2.3 有限元方程
3.2.4 计算实例
3.3 无网格法
3.3.1 概述
3.3.2 无网格法基本原理
3.3.3 有限元与无网格耦合方法
3.3.4 计算实例
3.4 塑性变形微纳尺度模拟
3.4.1 概述
3.4.2 分子动力学基本理论与关键技术
3.4.3 单晶铜纳米压痕过程中棱柱位错环的形成机制
3.4.4 纳米孪晶铜塑性变形过程中棱柱位错环与共格孪晶界面的反应机制
参考文献
第4章 铸造成形模拟方法
4.1 温度场模拟
4.1.1 传热的基本方式概述
4.1.2 数学模型
4.1.3 基于有限差分的离散
4.1.4 初始条件与边界条件
4.1.5 潜热的处理
4.1.6 计算实例
4.2 充型过程模拟
4.2.1 概述
4.2.2 数学模型
4.2.3 离散方法
4.2.4 SOLA-VOF方法
4.2.5 计算稳定性处理
4.2.6 流动与传热的耦合
4.2.7 计算实例
4.3 应力场模拟
4.3.1 概述
4.3.2 数学模型
4.3.3 离散方法
4.3.4 计算实例
4.4 冒口自动工艺优化
4.4.1 冒口自动工艺优化算法
4.4.2 冒口自动工艺优化方法实例
参考文献
第5章 焊接成形模拟方法
5.1 概述
5.2 焊接熔池行为仿真
5.2.1 焊接熔池行为数学模型
5.2.2 计算方法
5.2.3 计算实例
5.3 焊接金属蒸气行为仿真
5.3.1 焊接蒸气行为数学模型
5.3.2 计算方法
5.3.3 计算实例
5.4 焊接结构应力与变形仿真
5.4.1 焊接过程的温度-应力-变形问题有限元求解框架
5.4.2 焊接结构变形仿真
5.4.3 计算实例
5.5 小结
参考文献
第6章 塑料注射成形模拟方法
6.1 充模保压过程模拟
6.1.1 材料模型与控制方程
6.1.2 模型简化方法
6.1.3 压力场的计算
6.1.4 流动前沿的确定
6.1.5 方程求解
6.1.6 计算实例
6.2 冷却过程模拟
6.2.1 稳态传热分析模型
6.2.2 稳态传热的边界元求解方法
6.2.3 瞬态传热分析
6.2.4 计算实例
6.3 残余应力与翘曲变形模拟
6.3.1 残余应力模拟
6.3.2 翘曲变形模拟
6.3.3 计算实例
6.4 微结构与形态演化过程模拟
6.4.1 材料类型
6.4.2 结晶过程模拟
6.4.3 共混聚合物的相形态演化演变模拟
6.4.4 取向演化模拟
6.4.5 数值实现
6.4.6 结构与性能的关系建模
6.4.7 多尺度建模与模拟
参考文献
第7章 常用材料成形模拟软件简介
7.1 板料成形模拟软件
7.1.1 FASTAMP软件
7.1.2 D

智能制造是加快建设制
造强国的主攻方向，模拟仿
真是制造业数字化、智能化
不可或缺的关键核心技术。
材料成形过程模拟在深入认
识成形过程数理模型的基础
上，与数值计算、人工智能
、大数据分析、虚拟现实等
技术深度结合，实现成形过
程各物理参量、成形产品精
度与性能的高精度高效率预
测、展示、分析与优化。近
年来，材料成形过程模拟向
全流程、多物理场、跨尺度
、形性预测等方向快速发展
，涉及材料、机械、力学、
信息、计算机等相关学科，
大力促进了基于集成计算工
程的设计制造新模式的形成
与发展。华中科技大学长期
从事材料成形模拟技术研究
，研发出冲压、锻造、铸造
、焊接、塑料注射等成形工
艺的系列模拟软件。本书作
为“智能制造系列丛书”的组
成部分，致力于总结作者与
同事们多年来的研究成果，
探讨主要材料成形工艺的模
拟技术进展，为相关领域的
科技工作者和研究生提供系
统性、基础性和前瞻性的知
识。
全书包含7章。第1章阐
述材料成形模拟的基本方法
，第2～6章分别解析板料成
形、锻造、铸造、焊接、塑
料注射成形等主要成形工艺
的模拟方法，第7章简要介
绍当前的主流成形模拟软件
。本书的具体编写工作分工
如下：第1章由周华民、柳
玉起、周建新、庞盛永编写
，第2章由柳玉起、章志兵
编写，第3章由金俊松、王
新云编写，第4章由周建新
、殷亚军、计效园编写，第
5章由庞盛永编写，第6章由
张云、周华民、王云明编写
，第7章由黄志高、章志兵
、金俊松、殷亚军、梁吕捷
编写。全书由周华民策划并
定稿，王云明协助整理与校
稿。
李德群院士对本书的编
写提出了非常重要的意见和
建议，在此深表感谢。在编
写的过程中，许多教授提供
了宝贵的研究和教学成果，
在此对李远才、李巧敏、邓
磊、周何乐子、黄安国等老
师表示感谢。余文、周晓伟
、刘启涛、王靖升、母中彦
等博士研究生为本书的出版
也做出了贡献。清华大学出
版社对本书的出版给予了极
大支持，冯昕等多位编辑以
他们的敬业精神和严谨学风
促成了本书的及时出版，保
证了本书质量，在此深表感
谢。
材料成形过程模拟是一
门综合性科学技术，涉及的
范围很广，限于作者的研究
水平和教学经验，书中的错
误和缺点在所难免，恳请广
大专家和读者批评指正。
周华民
2022年3月
于华中科技大学材料科
学与工程学院
材料成形与模具技术国
家重点实验室