助力高端装备形性可控制造：金属塑性成形多尺度建模仿真

金属塑性成形，是一门历久弥新的制造技术。从早期红热锻打加工金属构件，发展到如今融合电、磁、声等特种能场，与力-热场协同实现变形与组织同步调控，金属塑性成形已经成为重大装备制造不可或缺的核心工艺。

随着航空航天、轨道交通等高端装备的不断迭代，关键金属零部件长期服役于高温、高压、强振动等极端工况。行业对塑性成形的要求，早已不再局限于尺寸精度，构件的内在组织与综合服役性能成为核心考核指标，高性能塑性成形也由此成为领域研究热点。要实现构件形性协同控制，就必须厘清材料从宏观构件变形、细观晶体行为到微观组织演化的完整多尺度机理。

高性能塑性成形始终面临三大现实难题：

◈过程复杂难预测：材料 ‑ 结构 ‑ 工艺多重非线性深度耦合，涉及多学科交叉，成形演化机理错综复杂；

◈ 方案多解难优化：达成同一形性目标的工艺方案不唯一，面向服役性能的优化设计难度大；

◈ 实时状态难监测：高温高压高危成形环境下，构件内部温度、应力、组织状态难以原位测量，大多仅能获取最终结果或依靠破坏性试验。

高性能塑性成形面临的挑战性难题

材料、结构、工艺、性能之间存在高度复杂的耦合关系：材料的性能决定其变形抗力和成形极限；构件的结构特征决定所采用的工艺方案和材料的变形/流动；工艺决定加载特征，且影响材料变形、结构成形与组织演化；结构和材料的不均匀变形反过来决定构件的成形性能和服役性能。

材料-结构-工艺-性能之间的耦合作用

厘清这四者之间的定量关系，既是正向预测成形过程、评估服役性能的基础，也是面向服役要求逆向开展成形设计的关键，更是实现材料-结构-工艺-性能一体化设计制造的核心。而准确揭示材料的多尺度响应机理并描述其规律，正是破解上述关键科学问题的必要条件，多尺度建模仿真则是达成这一目标的有效途径。

材料多尺度变形响应的交互作用机制

多尺度耦合建模仿真，是推动高性能塑性成形走向可计算制造、可计算设计与可设计制造的必由之路。它的核心任务在于对材料塑性变形多尺度响应的交互作用进行定量表征和耦合建模。但受材料非线性、几何非线性、工艺非线性，以及对多尺度变形响应精确预测的高要求影响，多尺度耦合建模面向高效精确预测、逆向全过程优化及复杂构件成形应用等依旧存在诸多技术挑战。

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金属塑性成形多尺度建模仿真购买

李宏伟 孙新新 詹 梅 等 著

北京: 科学出版社, 2026. 8

(高性能制造技术丛书)

ISBN 978-7-03-083469-0

《金属塑性成形多尺度建模仿真》针对高性能塑性成形面临的挑战，聚焦金属塑性成形过程中构件和材料的宏观、细观及微观变形机理，面向多尺度及其耦合建模仿真需求，凝练了宏观内变量建模、细观晶体塑性建模、微观元胞自动机及位错动力学建模、宏细微多尺度耦合及跨尺度均匀化建模的理论与方法；针对钛合金非等温变形、铝合金电磁成形、高温合金滚压成形等工艺过程，建立了多尺度模型，探讨了变形织构/组织演化、微观裂纹演化，以及电、磁、声等能场作用机理等关键问题，并进一步提出了面向上述工艺过程实施形性调控的方法与技术。

本书凝聚西北工业大学精确塑性成形团队近二十年在多尺度建模仿真领域的系统性科研工作，汇集众多师生一线科研成果，旨在通过对多尺度建模理论、方法、模型验证及应用的详细阐述达成以下三方面目标：

◈ 构建面向金属塑性成形过程的多尺度建模知识体系。

◈ 助力青年学者跨越多尺度建模仿真研究门槛，实现稳健入门。

◈ 推动金属塑性成形多尺度建模仿真领域的发展，促进跨领域的研究与应用。

本书核心架构

本书采用“四纵四横”的内容架构，兼顾知识深度与学科广度，四大写作特色十分鲜明：

一

内容架构纵横结合，逻辑清晰。横向以宏观、细观、微观及多尺度耦合为主线组织内容，由浅入深，方便循序渐进学习；纵向融入热场、电场、电磁场、超声场等多能场作用，增强了理论覆盖广度。

二

讲述方式由浅入深、有理有据。全书从介绍基础理论与方法开始，由常见的宏观内变量法建模切入，逐渐延伸至细观晶体塑性建模、微观建模和多尺度耦合建模。每章内容均以面临的实际问题为切入点，基于已有理论推导出具有针对性的新理论，建立新模型，并阐述参数校核、模型数值化和验证的流程与方法，最终回归到问题分析模型的实际应用。

三

基于物理机制建模，揭开唯象模型的“黑匣子”。本书在多尺度建模理论框架下，将能场作用的物理机制耦合至既有理论体系，构建新理论和多尺度耦合模型，从而阐明唯象法难以解释的内在机理。

四

数据翔实，图表充分。全书配有大量公式、数据和图表，内容丰富，其本身即构成一份翔实的参考资料。

本书可作为高等院校材料加工工程、机械工程、工程力学等专业硕士、博士研究生的学习用书，也可供在相关专业领域从事金属变形、材料力学响应等方向研究的科研人员和工程技术人员阅读参考。

本文摘编自《金属塑性成形多尺度建模仿真》（李宏伟等著. 北京: 科学出版社, 2026. 8）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

（本文编辑：刘四旦）

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