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问题1：如图1-2所示的制件，在成形过程中会产生哪些缺陷？出现的部位在何处？
图1-2 成形件
问题2：你在思考刚才问题的时候，是怎样得出的结论？是依靠经验还是书本知识？还是通过计算得出的（比如计算拉深系数）？
问题3：如何绘制图1-2（a）制件冲压成形过程中的应力应变分布云图？制件各处的厚度具体数值为多少？图1-2（b）制件在充型过程和冷却过程中各处的温度具体为多少？怎样变化？通过传统的分析方法可否得到上述数据？
从上面的3个问题，我们依据书本知识或现场工程实践，能较容易地回答可能产生的缺陷及部位，但要想给出在成形过程中制件各处的定量数据是非常困难，甚至是不可能的。这是由于传统分析法具有如下弱点。
①靠经验类比（公式中的各种系数）与较大的安全系数来确定结构尺寸和用材。
②对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力。
③对设计结果难以把握，一般要通过实验来验证。
为了弥补传统分析法的弱点，如果我们通过计算机来模拟该成形过程，就能看到成形整个过程中的应力应变、材料厚度变化、成形缺陷的产生等，见图1-3。
图1-3 材料成形CAE分析结果
因此，材料成形CAD/CAE的工程意义主要体现在辅助工模具开发和成形工艺设计等行业的工程技术人员完成下述三个方面的工作。
①选择最佳成形工艺方法（例如：对于给定的金属制件，是采用压力成形、铸造成型，或是采用焊接成形？如果采用压力成形，具体工艺方法是冲压、挤压、锻造或其他）。
②制定成形工艺流程与工艺参数（例如：利用级进模成形制件的工步顺序安排、每一工步的冲压速度和压边力确定等），并对其流程及参数进行优化，以提高成形能源和成形材料的利用率（例如：焊接热源、热处理保温时间、冲压板料排样、模锻件飞边控制等）。
③确定或改进模具设计方案（例如：注射模具的型腔数及其布局、浇注系统类型及其结构、模温调节系统结构及其孔路布局等）。
④预测在已知条件（材料一定、结构一定、工艺方法和工艺参数一定）下，产品成形的可行性及其成形质量，为成形方案和模具设计方案的改进与优化提供依据。
⑤确定成形设备及其辅助设备必须具备的生产能力（例如：压铸机的锁型力、压射力、压射比压、压室直径等，同压铸机配套的保温电炉容量、炉膛温度等）。
⑥改善和优化成形制件的工艺结构（例如：板料拉深的最小圆角半径、模锻零件的最小脱模斜度等）。
成形工具或（和）模具制造出来后需要进行一系列调试。调试目的：一是检查成形工模具的结构是否正确、各组成机构的动作次序是否合理，以及机构运动是否顺畅；二是检验成形工模具是否匹配成形设备和成形方案设计中拟定的工艺参数、能否生产出合格的成形制品。前者属于工模具的结构性调试，后者则为工模具与制品生产相结合的综合性调试。相对工模具的物理调试或制品的物理试成形是一个费时、费事的反复迭代过程，利用材料成形CAE分析，可以辅助现场人员迅速地、有针对性地发现和定位综合调试中存在的技术问题，提出相应的解决方案，缩短综合调试周期。
成形制品在批量生产过程中，材料批次、环境条件、设备控制、人员操作等差异都将给产品质量的稳定性带来一定影响。对此，可利用材料成形CAE分析系统或其他CAE系统，仿真成形质量波动的生产现场，找出造成质量波动的关键因素，分析质量问题产生的原因，有针对性进行成形质量控制。同时，还可利用材料成形CAE分析系统进一步优化产品的现场成形工艺参数，改善产品质量，提高生产效率，降低设备能耗等。
除此之外，还可将材料成形CAE分析技术与物理实验技术结合起来，研究新材料的成形特性，研究材料在模腔（如铸造、注塑、熔化焊）、模膛（如锻造、挤压）、凸凹模（如冲压）或其他特殊工模具（如轧制、拉拔等）中的流动过程、特点及其规律，研究材料成形中各物理场（如应力应变场、温度场、流动场等）的变化及其交互影响，以及研究成形（包括热处理）过程中的材料相变化与组织变化等，即把材料成形CAE分析技术作为现代理论研究和应用研究的重要辅助工具之一。
材料液态成形CAD/CAE分析多应用于模拟液态金属重力铸造、高/低压铸造、熔模铸造、壳型铸造、离心铸造、连续铸造、半固态铸造等成型工艺方法中的充型、凝固和冷却过程，预测铸造缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足），分析液/固（凝固、结晶）和固/固（含热处理）相变、铸件组织（相组成物和晶粒形貌及尺寸）、应力和变形，以及金属模具寿命等，为工艺设计、模具设计和过程控制的调整与优化提供定量或半定量依据。
图1-4是某砂型铸件的模拟充型过程，根据对液态金属流动状况和液面变化的观察分析，可以了解是否产生冲砂、裹气、浇注不足等缺陷。
图1-4 砂型铸造中的液态金属模拟充型过程
图1-5模拟了铸件的冷却凝固过程。通过观察，可以了解铸液的凝固顺序，发现缩孔、缩松、冷隔等铸造缺陷的潜在部位。
图1-5 模拟铸件冷却凝固过程
图1-6展示了过冷度Δ T 对Al-13Si铸造合金结晶组织的影响。由图1-6可见，随凝固时合金液的过冷度Δ T 增加，试样截面铸态组织由粗大的柱状晶转变成细小的纯等轴晶。该模拟结果对于控制铸件结晶的工艺条件、获取满意的微观组织及使用性能很有帮助。
图1-6 过冷度Δ T 对Al-13Si铸造合金结晶组织的影响
材料塑性成形的工艺方法有很多，包括冲压、挤压、锻造、轧制、拉拔等。目前，CAE分析在金属板料冲压、金属块料锻造、挤压和轧制领域的应用较成功。通过数值仿真实验，可以直观展示金属塑性成形过程中的材料流动、加工硬化、应力应变、回弹变形、动/静态再结晶、热处理相变等物理现象，揭示材料内部的微观组织形貌及其变化，考察对材料成形质量产生影响的温度、摩擦、模面结构、界面约束、加载速度等工艺条件，预测潜在的材料成形缺陷以及对应的工模具寿命。
图1-7是利用CAD/CAE分析软件仿真汽车覆盖件和骨架件的拉深过程（最终结果截图）。透过对未充分拉深区、起皱区和破裂区的分析，可以判断制件拉深成形质量，并结合材料成形极限图（FLD）了解制件内的应变状况及其分布，预测给定工艺条件（包括模面工艺结构、冲压速度、压边力等）下产生缺陷的趋势。
图1-7 汽车覆盖件拉深成形
图1-8是对材料冲压成形件中已产生的缺陷的仿真与再现，以便进一步定量分析和揭示产生缺陷的原因。
图1-8 方形盒拉深过程中的边角破裂分析
图1-9模拟了钢轨的辊压成形过程。
图1-9 模拟钢轨的辊压成形过程
图1-10是十字接头和伞形齿轮多工步精密模锻成形的仿真实例。在伞齿轮成形CAD/CAE分析实验中，根据锻件的轴对称结构特点，采用了对象简化分析技术（即先任意截取其中一个齿进行建模和求解，然后再按约束关系将该齿的分析结果移植到整个齿轮），以提高求解计算的速度。
图1-10 多工步精密模锻成形
（左下方为锻件实物）
材料黏流态成形主要指塑料熔体在黏流状态下的注射、挤出等成形。目前，材料黏流态成形CAD/CAE分析技术普遍应用在塑料注射成型领域，涉及的成型工艺方法有普通流道注射、热流道注射、气辅注射、双料顺序注射、反应注射、微发泡注射和芯片注射封装等。通过对材料注射成型的CAE分析，了解成形方案、工艺参数、产品形状、模具结构、浇注系统、冷却水道等因素对材料成形质量和模具寿命的影响；并且在物理实验的支撑下，研究新材料（或填料不同材料）的注射成型性能、熔体在模腔中的流动和冷却规律、塑件分子取向、应力分布、翘曲变形等物理现象及其起因等。
图1-11是塑料熔体多腔注射时的流道平衡分析。根据模拟分析结果，可调整和优化各分流道截面尺寸，以确保熔体能够在同一时间内充满各个模腔。
图1-11 多腔注射的流道平衡分析
图1-12是某电视机前罩气辅注射成型模拟实例，通过观察分析模拟结果，可确认气道设置是否合理、气辅参数是否满足成形质量要求。
图1-12 电视机前罩的气辅注射成型
材料焊接成形是指利用焊接工艺方法将预先制备好的单个零部件或毛坯拼接（拼装）成产品或半成品（如用于钣金冲压的拼焊板）的过程。利用CAE分析技术，可分析焊接热过程（包括焊接热源的大小与分布、温度变化对热物理性能的影响、焊接熔池中的流体动力与传热、传质等）、焊接冶金过程（包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等）、焊接应力应变（包括动态应力应变、残余应力与残余变形、拘束度与拘束应力等），以及对焊接结构的完整性进行评定（包括焊接接头的应力分布、焊接构件的断裂力学分析、疲劳裂纹的扩展、残余应力对脆断的影响、焊缝金属和热影响区对焊接构件性能的影响等）。
图1-13是利用CAD/CAE分析技术对某摩托车轮圈的焊接过程进行仿真的最终结果（部分截图）。目的是评价产品的焊接变形、最小化残余应力，同时了解制件几何结构、材料特性和工艺参数对焊接质量的影响。
图1-13 摩托车轮圈的焊接分析
图1-14（a）是利用焊接方法组装产品的实例，其中，被装配的各个零件均属钣金成形制品（当然，也可以是机械加工、铸造、锻造等制品）。图1-14（b）是对图1-14（a）实例焊装应力进行CAE分析的结果，根据该结果可以预测焊接变形和焊接裂纹等缺陷。
图1-14 焊接组装CAE分析举例
下面列举的发展趋势有的已部分投入实际应用，有的仍在不断完善和深入研发之中。
材料成形CAD/CAE分析的研究由建立在温度场、速度场、变形场基础上的旨在预测形状、尺寸、轮廓的宏观尺度模拟阶段进入到以预测组织、结构、性能为目的的微观尺度模拟阶段，研究对象涉及结晶、再结晶、重结晶、偏析、扩散、气体析出、相变、组织组成物等微观层次，以及与微观组织相关的机械、理化等性能。
加大多物理场的耦合与集成分析（包括流动/温度、温度/速度/流变、电/磁/温度、温度/应力应变、温度/组织、应力应变/组织、温度/浓度/组织等物理场之间的耦合），以真实模拟复杂的材料成形过程。
在特种成形领域应用CAE分析技术比在基于温度场、流动场、应力/应变场的通用成形领域应用CAE分析技术难度大，例如：铸造成型中的连续铸造、半固态铸造和电渣熔铸，锻压成形中的液压胀形、楔横轧和辊锻，焊接成形中的电阻焊、激光焊，塑料成型中的振荡注射、吹塑和热成形，以及金属粉末注射、粉末冶金压制等。可以确信，一旦各特种成形的理论研究与应用开发取得突破性进展，利用CAD/CAE分析解决和研究特种成形技术问题的手段将会层出不穷。
材料成形CAE分析基础性研究包括成形理论、数学模型、计算方法、应用技术、测试手段、材料特性和物理实验等的研究，这些都是事关CAD/CAE分析结果真实性、可靠性、精确性，以及模拟速度、模拟效率的热点研究。
所谓反向模拟技术，是指从最终产品的几何结构出发，结合成形工序或工步，一步步反推至原始毛坯的演绎过程。反向模拟技术主要用于固体材料塑性成形毛坯的推演，例如：冲压件展开、模锻件预成形。通过反向模拟，可以解决诸如成形材料利用率、毛坯形状优化等实际问题。此外，反向模拟技术还可用于推演不同温度条件下的材料热物理性质（如材料表面的换热系数等）。目前，反向模拟技术在材料的冲压成形、锻造成形和铸造成型过程中均有所体现。
模拟软件技术面向产品开发、模具设计和成形工艺编制等技术人员，屏蔽过于繁杂的前处理操作（特别是网格划分、接触边界定义和求解参数设置等操作）；利用专业向导模块（如锻造开坯、冷挤压、热处理、模面设计、浇注系统设计和冷却水道布局等），简化分析模型的建立过程；加入专家系统等人工智能技术，帮助用户更快更好地关注和解决材料成形中的实质性问题，而不被一些具体的工程分析术语和技能技巧所困扰；增加正交实验、方差分析等设计理论，在高性能计算机的支持下，较大范围地综合优化材料成形工艺参数等。
利用计算机网络、产品数据模型（PDM）等先进技术，将基于过程仿真的成形工艺模拟与企业生产的其他系统要素有机集成，从而彻底实现从产品开发、模具设计、工艺优化到产品质量控制、技术创新、成本核算的全过程协同。此外，透过网格计算、远程服务和超文本格式分析报告，让分布在不同地域的产品设计师和模具开发师借助本地计算机迅速获取相关信息，共同会商或确定提高材料成形质量等问题的解决方案。
通过模拟结果与设备控制的关联，将优化的工艺参数直接输送给成形设备，实现控制参数的自动调整和成形过程的自动监测，以消除或减少结果判读、数据转换和人工设置的误差。