该文针对体积成形过程数值模拟与优化技术及其系统开发开展研究,研究和建立一系列保障软件可靠、自动和实用的关键技术和算法,研究和建立基于灵敏度分析的模具优化设计方法,开发集模拟与优化功能于一体的金属体积成形过程仿真系统,提升中国自主版权工程软件的开发水平.该文在热耦合有限元理论的基础上,结合计算机图形学和数据库技术等,在Windows环境下,以VisualC++、OpenGL、Power Station Fortran等语言为开发工具,开发了二维体积成形有限元软件CASFORM.对动态边界条件、温度边界条件、流动应力模型、数据库管理、软件的图形界面和可视化以及软件的加密和安装等技术也进行了研究.网格自动生成程序是体积成形有限元软件的重要组成部分,该文独立提出并建立了一种密度控制和区域分解相结合的四边形网格生成方法——区域分解法.对区域分解法的关键技术进行了研究,提出并建立了一系列算法,包括几何形状的表示、关键点的确定、网格密度的生成、节点的生成、边界单元的生成、剖分准则、模式匹配、光滑处理和半带宽优化等.该文对体积成形中的锻造过程优化设计建模问题进行了研究.锻造过程中的优化设计建模包括选取合适的设计变量,建立目标函数的数学模型,选择合适的优化方法求解数学模型.采用有限元灵敏度分析方法,对锻造过程的预成形优化设计方法进行了研究.该文还对预成形优化设计理论的一些技术进行了研究,针对预成形模具下模速度为零时,下模形状在优化过程中得不到优化的缺点,提出了一种能同时优化上下模具形状的方法;针对程序运行时间长的缺点,提出了一种贮存灵敏度刚度矩阵的方法及减少设计变量的方法,大大提高了程序的运行速度:提出了一种解决有限元模拟过程中体积损失的补偿方法;提出了初始预成形模具形状的确定原则和方法;给出了有限元灵敏度分析过程中网格重划的方法和步骤.该文应用现有的组织演变模型,采用有限元灵敏度分析的方法,对锻造过程中的微观组织进行了模拟和优化设计.首次以变形结束时的晶粒尺寸分布均匀性为目标,采用每个单元的晶粒尺寸与平均晶粒尺寸之差的平方和作为目标函数,对锻造过程中的动态再结晶演变过程进行了优化设计.详细推导了目标函数对设计变量的灵敏度及晶粒尺寸对设计变量的灵敏度公式.建立了变形、传热和动态再结相耦合的组织变化模拟系统,给出了锻造过程中的微观组织优化设计的步骤.