第1章　绪论

1.1　材料加工物理模拟的基本概念和现代意义

所谓模拟是对真实事件或者过程的虚拟或物拟。模拟要表现出选定的物理系统或抽象系统的关键特性。模拟的关键问题主要包括有效信息的获取、关键特性和表现的选定、近似简化和假设的应用以及模拟的重现度和有效性。

模拟是工业、科学和教育中的一种研究或教学方法。它可在测验条件下再现实际事件和过程。模拟方法种类颇多，从用纸笔和木板再现情境，直到用复杂的计算机辅助的相互作用体系。实验中使用模拟方法，使研究者能不用稀有材料或昂贵仪器而进行奇异的“仿真实验室”的实验或演示。在汽车制造业中，计划的汽车设计在计算机模拟中来进行模拟风洞试验，可以把原来用于制造和试验原型的时间节约几百小时。压缩或放大时间或空间是模拟技术节省成本的另一个特点。任何地方发生的事件，其真实时间可能为几小时直至极长的时间，但在几分钟内即可模拟出来。例如，医学研究人员常常要隔离器官，并且要用人工方法维持其生命，进行培育，注入化学药物，以等待结果。然而，当一个被选择的器官的正常机能可被精确地模拟下来时，研究人员在几分钟之内即可观察到范围广泛的许多事件对器官机能发生的影响。同样，天文学家使用计算机模拟银河系运动，可以演示数百万年才能完成的事件，例如两个星系的碰撞，以检验理论描述的正确性。作为教学方法，模拟可使学生以逼真的方式处理重大事情，而在他们作出错误选择时也不致产生恶果。这种方法在医学训练中十分有用。例如，艾伯塔大学医学院使用计算机来模拟处于危机情况的，如无适当护理即会死亡的病人，要求医生迅速作出专业诊断，确定治疗方法，以保全病人的生命。

世界上的事物，虽然千姿百态，但究其本质，都有相同的哲理，当我们摸清了事物迥异的个性后，就需要开始去寻找它们内在的共性，这才是一个明哲、智慧的做法，也是认识事物的最好途径。只有这样才能掌握大自然的运动规律，从而站在哲学的高度，通晓自然科学和社会科学领域的真谛。列宁曾经指出：“历史有惊人的相似。”莱布尼茨也说过：“自然界都是相似的。”然后又说：“为什么相似，是神定的先定和谐。”针对这句话，列宁正确地指出：“具有深刻的辩证法，虽然有僧侣主义的解释。”但是我们不妨站在唯物主义者的立场，把神的概念，理解为“大自然的规律”。

相似就是客观事物存在的同与变异的辩证统一。在客观事物发展过程中，始终存在着同和变异。只有同，才能有所继承；只有变异，事物才能往前发展。相似绝非等于相同。

有人说，搞相似性就是只研究共性，不研究个性。这是对相似性的不了解。

下面我们给出模拟的正式概念：

定义1：根据相似性原理，对实际事件或者过程进行再现，称为模拟。

定义2：在主观或者客观需求驱动下，根据相似性原理，预测或者再现事件或者过程，称为模拟。

定义3：有目的地根据规律，研究非现时（跨时空）事件或者过程，称为模拟。

材料加工的物理模拟就是根据相似性原理，利用廉价的或易于观测的实物材料进行材料加工过程的再现过程。

早期的材料加工物理模拟有：用常温铅模拟钢的热成形方法、用赛璐珞模拟钢热成形方法、胶泥法、光弹法、光塑法、密栅云纹法等。

现代的材料加工物理模拟主要指采用热模拟试验机进行物理模拟。热模拟试验机出现在第二次世界大战之后，经历了由自由竞争到垄断的发展，目前只剩下为数不多的几家企业在生产，分别是美国DSI公司的电阻加热Gleeble物理模拟试验机和日本富士电波株式会社的高频感应加热Themorestor-W和高频感应及电阻加热Themocmastor-Z，还有近年来我国东北大学研制的电阻加热MMS热模拟试验机。

热模拟试验机就是提供了高温环境的动态材料试验机，它可以动态地对材料受热和成形过程全生命周期地进行物理模拟。其模拟功能齐全，应用广泛，可以进行包括连铸冶炼工艺、轧制锻压工艺、焊接工艺、金属热处理工艺和机械热疲劳等方面内容在内的动态过程模拟试验，可以测定金属高温力学性能、应力应变曲线、金属热物性及CCT曲线等。

材料加工的物理模拟是在实验室里使用真实的材料经历实际制造工艺或最终服役工况来精确地再现其受热和受力作用的过程。在该模拟过程中使用一个小的真实材料样品，而该样品与全尺寸制品在制造工艺或最终服役工况中具有相同或相似的受热和受力条件。在现代热模拟试验机中模拟的结果将非常具有实用价值，因此，其实验室中的模拟结果可以直接应用到全尺寸的生产实践中。