熱加工工藝模擬及優化設計技術是應用模擬仿真、試驗測試等手段，在擬實的環境下模擬材料加工工藝過程，顯示材料在加工過程中形狀、尺寸、內部組織及缺陷的演變情況，預測其組織性能質量，達到優化工藝設計目的的一門嶄新技術。它的研究范圍一般可分為：

　　1．熱加工過程的數值模擬。通過建立能準確描述某一熱加工工藝過程的數理模型及對數理方程的簡化求解，動態顯示該過程并預測其結果。分為宏觀（mm-m級）、微觀（μm-mm級）、原子（nm-μm級）三個不同的模擬尺度。

　　2．熱加工過程的物理模擬及專家系統。通過得到準確的臨界判據，檢驗、校核數值模擬的結果；用于影響因素十分復雜的工藝過程，作為數值模擬的必要補充。

　　3．熱加工過程的基礎理論及缺陷形成原理。它是準確地建立過程數理模型，得到缺陷科學判據的研究基礎。

　　二、現狀及國內外發展趨勢

　　1．國內外發展現狀

　　材料熱加工工藝模擬研究于1962年開始于鑄造過程，進入70年代后，從鑄造逐步擴展到鍛壓、焊接、熱處理，在全世界形成了材料熱加工工藝模擬的研究熱潮。

　　經多年研究開發，針對常規鑄造、沖壓、熱鍛已經形成一批熱加工工藝模擬商業軟件；并已在鑄造、鍛壓生產中得到一定應用，在注塑、焊接、熱處理中的應用剛剛起步；同時數值模擬已逐步成為新工藝研究開發的重要手段和方法。

　　2．發展趨勢展望

　　近年來，熱加工工藝模擬不斷向廣度、深度拓展，其技術發展趨勢是：

　　（1）宏觀－中觀－微觀

　　已普遍由建立在溫度場、速度場、變形場基礎上的旨在預測形狀、尺寸，輪廓的宏觀尺度模擬（mm-m級）進入到以預測組織、結構、性能為目的的中觀尺度模擬（毫米量級）及微觀尺度模擬（微米量級）階段。

　　（2）單－分散－耦合集成

　　模擬功能已由單一的物理場模擬普遍進入到多種物理場相互耦合集成的階段，以真實模擬復雜的熱加工過程。

　　（3）共性、通用－專用、特性

　　由于普通鑄造、沖壓、鍛造工藝模擬的日益成熟及商業軟件的出現，研究工作的重點和前沿已由共性通用問題轉向難度更大的專用特性問題。主要方向一是解決特種熱加工工藝（如壓鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等）模擬及工藝優化問題；二是解決加工件的缺陷（混晶、回彈、熱裂、冷裂、變形等）消除問題。

　　（4）重視提高數值模擬精度和速度的基礎性研究

　　主要有：熱加工基礎理論、缺陷形成機理及判據、新的數理模型、新的算法、前后處理等基礎性研究及物理模擬與精確測試技術等。

　　（5）重視集成技術，使工藝模擬成為先進制造系統的重要組成部分。

　　包括：在并行環境下，與產品、模具CAD／CAE／CAM系統集成，與零件加工制造系統集成，與零件的安全可靠性能實現集成。

　　3．我國的優勢及不足

　　我國于70年代末期開始研究鑄造工藝模擬，以后逐步擴展至鍛造、沖壓、焊接、熱處理及注塑等各專業，吸引了一大批優秀的科技人員投身該領域研究。在多年研究的基礎上，國內多家研究院所及高校聯合投標，于1997年"金屬材料熱成形過程的動態模擬及組織性能質量的優化控制"入選國家攀登B項目，為攀登國際前沿提供了很好的條件。我國在鑄造微觀組織模擬，大鍛件混晶預測，焊接工藝性的物理模擬及精確測試等方面的研究居世界先進水平。但在模擬軟件的商品化開發，研究工作的硬、軟件環境等方面有較大的差距。

　　三、"十五"目標及主要研究內容

　　1．目標

　　針對金屬材料鑄造、鍛壓、焊接、熱處理及非金屬材料注塑等熱加工過程，以材料熱加工理論分析為基礎，通過數值模擬和物理模擬研究，開發一系列商品化軟件及實驗技術，能對熱加工過程的組織、性能、質量進行預測和優化控制，實現工藝優化設計，并在材料熱加工基礎理論及缺陷形成機理的某些方面有所發展和創新，并行工程環境下的虛擬制造成形的基礎性研究取得進展。通過本項研究，使該研究領域全面趕上當代國際水平，在某些方面達到國際領先水平。

　　2．主要研究內容

　　（1）金屬材料熱加工過程的基礎理論及缺陷形成原理的研究

　　研究材料熱加工過程中的液態流動充型、凝固結晶、固態流動變形、相變、再結晶與重結晶等一系列復雜的物理、化學、冶金變化原理及數理模型；揭示充型過程的卷氣、夾渣、冷隔，凝固結晶過程的縮松、熱裂、偏析，固態流動變形過程的孔洞、裂紋、混晶、皺折、回彈，焊接過程的凝固裂紋、氫致裂紋，固態相變過程的畸變、裂紋等缺陷的形成原理，得出臨界判據。

　　（2）金屬材料熱加工的宏觀數值模擬、工藝優化及商品化軟件技術

　　完成金屬材料主要熱加工方法（鑄造、鍛造、沖壓、焊接、熱處理）的宏觀模擬及工藝優化的研究開發，解決大鑄件、大鍛件、大型焊接結構件及一些特種毛坯件（壓鑄、電渣熔鑄、金屬型鑄造、楔橫軋等）的工藝優化問題，提出消除其宏觀缺陷的方法，并推出具有我國自主版權的熱加工工藝模擬商品化軟件。

　　（3）金屬材料熱加工的微觀數值模擬及組織性能質量的觀測

　　通過研究微觀組織模擬的理論及模型算法，塑性成形晶粒度演化，焊接過程氫擴散與集聚，高溫區熔池尾部應力應變，加熱冷卻過程應力一組織轉變的定量關系等微觀數值模擬技術，完成微米量級（μ m）的熱加工微觀數值模擬的研究工作，解決熱加工常見的微觀缺陷（偏析、氣孔、混晶、氫致裂紋等）問題，并初步推出部分商品化軟件。納米量級的模擬工作開始起步。

　　（4）金屬材料熱加工工藝性的物理模擬和精確評價技術

　　配合數值模擬，研究并掌握凝固結晶過程直觀的觀測方法，材料焊接熔池尾部高溫應力應變及凝固裂紋形成阻力測試技術，焊接過程局部區域氫濃度的測試方法，相變塑性及應力誘發相變的實驗驗證方法等相關的物理模擬及工藝性的精確測試、評價技術，能為宏觀及微觀數值模擬提供精確、適用的基礎數據，基本判據和合宜的校核、檢驗方法。

　　（5）并行環境下熱加工工藝模擬與其它技術環節集成技術

　　完成并行環境下，鑄造、鍛壓兩個專業的工藝模擬、優化與零件CAD／CAM的集成，推出商品化的CAD／CAE／CAM一體化系統軟件；完成沖壓工藝模擬與沖壓生產系統的集成研究并用于生產；工藝模擬與零件性能及安全可靠性的集成研究開始啟動，并獲得初步結果。