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焊接数值模拟
哈尔滨工业大学
《材料加工过程数值模拟基础》实验课程
25号钢平板对接焊温度场数值模拟
实验报告
姓名:
王保全
学号:
14SD09004
班级:
焊接班
材料科学与工程学院
ANSYS及其应用
ANSY歆件是美国ANSYS^司研制的大型通用有限元分析(FEA软件,能够进行包括结构、热、声、流体、电磁热场等科学的研究。
在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。
ANSYS勺功能
ANSYS勺功能如下:
1建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD莫型。
2应用施加载荷或者其他设计条件。
3研究模型的物理相应,如应力水平、温度分布或者电磁场等。
4对产品进行优化设计,以降低产品的费用。
5做数值模拟实验。
ANSYS包括100多个单元,提供了对各种物理场的分析功能,可以将其应用于如下学科:
结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力分析(ANSYS/LS-DYNA、流体静力学和动力学分析(FLOTRAN、电磁场分析、声学分析、压电分析、多长耦合分析、设计灵敏度及优化分析。
ANSYS勺设计优化功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量,如形状、应力、自然频率、质量、费用、温度、次势、压力、速度或离散量等,可进行参数、形状、拓扑优化。
ANSYS勺特点
ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件,其技术特点主要表现在以下几个方面:
1能实现多场及多场耦合分析。
用户不但可用其进行诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究,还可以进行这些问题的相互影响研究。
例如:
热-结构耦合,磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合等。
2实现前后处理、求解和多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。
3具有多物理场优化功能的FEA软件。
4强大的并行计算功能支持分布式并行和共享内存式并行。
5多种自动网格划分技术。
6良好的用户开发环境。
ANAY综合应用菜单、对话框、工具条、命令并行输入、图形化输出等多种方式,从而使应用更加方便。
7方便的二次开发功能。
应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户自定义界面语言、外部命令等功能,可以开发个性化的应用程序。
ANSYS勺结构
ANSYSt要包括三个部分:
前处理模块、分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便的构建有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦
和分析,可模拟多种物理介质的的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来,也可将计算结果以
图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS有限元分析
下面以平板对接焊的温度场分析为例详细解析ANSYST限元分析。
焊接材料为25号钢,平板尺寸为120mM60mM6mm施加热源为高斯热源,热源的有效半径为6mm焊接工艺参数如表1所示。
表1焊接工艺参数
工艺参数
电压N
电流/A
焊接速度/(m/s)
焊接效率/(%)
数值
25
180
0.01
75
各种有限元软件都是由前处理、计算过程和后处理三个模块组成,但具体到
每个软件其具体界面以及操作方式并不一样。
下面详细解析利用ANSYS分析该问
题的操作过程。
(1)定义分析路径
点击ANSYSProductLauncher,如图1所示。
在SimulationEnvironment中选ANSYS在License中选ANSYS/lultiphysics,定义ANSYS勺分析环境。
然后定义工作目录,在WorkingDirectory中通过点击Browse定义分析,然后定
义文件名,可在JobName中更改文件名,本例中选用file为文件名。
然后点击run进行分析。
图1定义分析路径
(2)设定标题
从实菜单选择File|Changetitle命令,将弹出Changetitle对话框,
在enternewtitle中输入标题,点击OK按钮完成标题的定义,如图2所示。
l/TITUEJtitle
OK
C-ance-l
图2定义标题
(3)选择菜单过滤参数
从主菜单中选择Preferenee命令,将弹出PrefereneeforGUIFiltering
(菜单过滤参数选择)对话框,如图3所示。
选中Thermal复选框,点击0K按钮确定。
PreferencesforGUtriltering
[KEVW]Prc^E-rencesfarGUEFiltcrirq
Indivdualdiis-cipinels)toshewirCneGU1
Elect/-Dma卑门巴Hi匚.
厂Sit-uctur-al
I?
Thcriijal
厂ANSVSRluld
厂MlanefctEdeje
IHkjhFr*qL»*nr/
F~Eleetrk
HoirIfHQindividUL*!
diiCrKhvudfvlh«vwill心I
Dtacipliri«opbcrtS
■h-%lE-Tk>od
Can-c-al
图3菜单过滤参数选择
(4)定义单元类型
进行有限元分析时,首先应根据问题的几何结构、分析类型和所分析问题的精度要求等,选定适合具体分析的单元类型。
本例中选用热分析单元类型
SOLID7Q为了划分网格的需要还选用单元类型Mesh2O0Mesh200单元类型划分
网格生成的单元和节点在求解中是无效的,即不会对这些单元和节点求解。
从主菜单中选择preprocessor|elementtype|add/edit/delete,将弹出
elementtype(单元类型)对话框。
点击add按钮,将弹出Libraryofelementtype(单元类型库)对话框,
如图4所示。
然后在左边的列表中选择Solid选项,选择实体单元类型。
在右边的列表中选择Brick8node70选项,选择把节点实体单元类型Solid70。
Element
typerefereneenumber
输入1,即定义单元类型号为1
Ubrdryof^lenient
LibraryofEfefTieritTypes
Cancel
Elemenityperatereneember
LibraryofLenrentTypes
UwtM |MeihFacet2M Superetawl Wl0 Jn&ihBourddir ^itkiEFect ROM Meshratet200 Add.旦,]m]—2| 匚]■巳■■]|lial3 OK 图5单元类型 ElementTypes AMESH3Q0elementtypeoptions Sr-LITiTj Jpt Eenwt曲亞eand*ofnodes<1 Elemert加;ietestircQ Vernaltcstrig▼ OK Help Help 图8定义Mesh200单元类型 菜单Parameters|Angularunits, DegreeDEG,然后点击OK AdetectFiherrt^Ufilcs-lufMatedaiLibliify |yLHir3|Sihdtllie-UlVtSbyden日戸r-node? 1.1*3*WsW讯询br**记*”4fhPC皆申 NCitdeittowiflM'i WoriftiD<**15 Tita.F三t—VEX-nW"-1-Tyi■产孟 Lib邮ffEemen? T^as DeluPa 图7单元类型 S&LMUi rc® rnr rm rutfm 点击OK按钮,将Solid70单元添加,如图5所示。 然后再点击Add按钮添加Mesh200单元类型。 再次进入单元类型库,如图6所示。 EIffh: 片片rjmb*- 图6定义Mesh200单元类型 在左边的列表中选择NotSolved,在右边的列表中选择Mesh200单元类型。 点击OK按钮进入单元类型对话框,如图7所示。 选择Mesh200单元类型,点击Options按钮,进入MESH200lementtypeoptions,如图8所示。 在Elenmentshapeand#ofnodeK1中选择QUAD4-NOD即定义Mesh200为平面四节点单元类型,点击OK即可。 返回ElementType对话框,然后点击Close按钮,关闭单元类型对话框。 (5)定义单位 在本例的有限元分析工程中,分析过程中选用国际单位制,点击主菜单 Preprocessor|Materialsprops|Selectunits,弹出对话框,如图9所示,选 择SI(MKS),定义国际单位制,然后点击OK按钮确定。 定义角度单位为度,点击 弹出对话框,如图10所示,选择角度单元 按钮,完成对单位的定义。 AAngularUnitsforP^metricFuntticns MUflUrrs伽眄ul艸仪茫血- ■pflrsnrtficUbns (6)定义材料参数 从主菜单中选则Preprocessor|Materialprops|Materialmodels命令,将 弹出DefineMaterialModelBehavior(定义材料模型)属性窗口,如图11所 示。 ADefineMaterialModelBehavior MateriflilEditFavDrrreHrIp MaterialodslsDefinert T2 口 T4 T5 T6T7 T3 Te吹rEtures 2FQ 500 750 |: 5W||7M ten KXX 47 FRF~' ■Li |l42 Canductivity(TMtropic)ferT^TsrialN-urktr1 依次双击Thermal〔Specificheat,展开材料属性的树形结构,将弹出材料 比热定义对话框。 因为本例中要输入不同温度下的材料参数,所以点击Add Temperature按钮,增加不同温度下的热传导数值,如图13所示。 在C文本框 中输入不同温度下的比热参数后,点击0K按钮,返回定义材料模型属性窗口。 依次双击Thermal|Density,展开材料属性的树形结构,将弹出材料密度定义对话框。 因为本例中要输入不同温度下的材料参数,所以点击AddTemperature按钮,增加不同温度下的密度数值,如图14所示。 在DENS文本框中输入不同温度下的密度参数后,点击0K按钮,返回定义材料模型属性窗口。 HATEAXRLE Al-lcjitJewK4ate-rialMLiriibHEi"1 即弧专H”电fernL肺mhg1 I'M®七1 C Jj T2T2T4 T*E T6 T7 TS J a BOOP50 1000 1E0D IlTEO pBOO [^30 |^7! ^ 67Q meo |TW JtJ T口atursC>a1a*t-QTcte? 1trara| S-1 H«lp 图13各向同性材料的比热定义 ADensityforMaterialNimlMr1 D^nsityforMit&rhl汗诚刘: OK|%阔HHp 树dTErerEtur冃Delete讥ure 图14各向同性材料的密度定义 在DefineMaterialModelBehavior窗口中,从菜单中选择Material|Exit命令,或者单击窗口右上角的X按钮,完成材料模型的定义。 7)建立实体模型 在建立模型的过程中,应考虑到后面的有限元网格划分。 而且在焊接模拟中,焊缝及其附近的网格采用较密的网格划分,而离焊缝较远的位置采用较疏的网格。 首先定义模型的标量参数。 单击菜单Parameter|ScalarParameter,在 Selction中输入LENGTH=0.12点击Acecept按钮,完成对长度参数的定义。 然后依次输入WIDTH=0.06,HEIGHT=0.006,RB=0.002,U=25,I=180, V=0.01,EFF=0.75,R=0.006,q=U*l*EFF,x_center=0,y_center=0,如图15所示。 最后点击Close按钮,完成对各个参数的定义。 建立模型,点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|Bydimension,弹出创建实体对话框,在其中输入各个尺寸参数,如图16所示,建 立模型如图17所示。 点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|Bydimension建立两个过 渡实体,如图18所示,命令流为: block,0,2*rb,3*rb,5*rb,0,-height block,2*rb,4*rb,3*rb,5*rb,0,-height ScalarParameters I■100 LENGTH-0J2 Q■3375 R=5.0UCJUOTIXIUE-03 FtB=Z.000000000£-03 U・26 Vm1.口£-02 Wlt*IH二B.UUUULIUILJUUtgK_QFNiTER-0 *CENTER乂0 Acoopi|DeiIE怕|DOimji 0 length 0 3*rb 0 -height CreateBlockbyDimEnsions [BLOCK]CreateBlockbyDimersions XLX2X-coordinates ¥1.¥2/-coordinates Z1,Z2Z-coordirrates Cancel Help 图16定义实体对话框 图17有限元模型 图18有限元过渡实体模型 图19有限元网格划分模型 指定各个过渡实体的线的网格划分。 然后通过APDL语言声称其他的实体, 如图19所示。 命令如下: vsel,s,,,2,3! ! ! ! 此实体为所建立的过渡实体 cm,vl,volu allsel,all *do,i,1,14,1 vgen,2,v1,,,i*4*rb,,,,1,0, *enddo 依照上面的方法,建立随后的实体模型,如图20所示。 点击主菜单 Preprocessor|Numberingctrls|Mergeitems,弹出关键点压缩菜单,在Label选择关键点,然后点击0K按钮完成压缩,如图21所示。 点击Moddeling|Booleans|Glue|Volumes,弹出GlueVolumes对话框,如图22所示,点击Pickall,对所建立的模型进行布尔运算,即把所有的模型粘在一起。 (8)网格划分 对焊缝实体进行网格划分,首先选择焊缝区域的实体,点击实菜单 GlumVolu Select|Entities,选择实体Volumes-Bylocation-Ycoordinate,分别在最小值、最大值文本框中输入最大值和最小值一一0,3*rb,点击OK按钮完成对实体的选择,如图23所示。 S-elect匚ntities 然后对实体进行网格划分。 随后对过渡单元进行网格划分。 依次对其他的实体进行网格划分,最后实体的网格划分的情况如图24所示。 planpwe*iding ANSYS R15+0 DECIB2O1A MlMM* 图24模型的网格划分 (9)有限元求解 点击主菜单Solution|Analysistype|Newanalysis,弹出分析类型对话框,如图25所示。 选择Transistent复选框,点击OK按钮,弹出瞬态分析对话框,如图26所示,点击0K即可。 打开自动时间步长,点击Solution|Loadstepopts|Time/frequent|Time-timestep,弹出对话框,如图27所示,在AUTOTS中选择ON然后点击OK按钮。 定义热源函数,点击菜单Parameter|Function|Define/Edit,弹出Function Editor对话框,如图28所示。 在Result文本框中输入高斯热源的函数表达式,然后点击File|Save保存文件。 随后点击Parameter|Functions|Readfromfile,选取刚刚命名的函数表达式。 在Tableparametername中命名arc,在ConstantValues中输入各个参数,点击OK按钮,完成函数的定义。 图25分析类型 A TransientAnalysis PRNOPT] Ecluticnm^thodl PFull CModeSuiperpcs'n [LUMPM]Uselumpedmotssapprox? 厂Ncj OK Cancel 图26瞬态分析选项 八FunctionEditor FileEditMolp bui-lCtiOTL]1I乂]1心tiiuyO']l<^aini=r4]KsainiKti) FuaicxionType 灯Sing1口@quat1on. 厂Miil11lusdfijnetiE(nan370glma7*rie|-'Raf-: iV-ir' t^X.Y.Z)InlerDretecltnCSY2i|p~ Res: tillt■ |3*q/ (『(X)-x_ .center)"2+((T)-y_center LDcE>-=== 席Rad.1arts LIST ■(l >1 CRATIJ |Y 二1 MIN A.S1N e3t MAX 3IN1 LN17 9 /ICLEAR RCL ACOS STO cos| LOCI4 s & |*|| IMS1IET ATAN SORT ACS TAN x~2I1 2 3 1・]门 Pl x"Cl/y) 1 INV ATAN2 xy 0 - IM 图28焊接编辑器 施加对流换热系数。 点击 Solution|Defineloads|Apply|Thermal|Convection|0nnodes,弹出施加热流对 话框,如图29所示。 在VALI文本框中输入10,在VAL2I文本框中输入20。 在除对称面外的平面上施加对流换热系数,如图30所示。 AApplyCONVonnode^ [SF]ApplyFilmCoefonrodes 匚cristantvalue〒 IfConGtaritYdluathen; VALIFilmcoefficient 10 [SF]ApplyEulkTemponnodes Constantvalue▼ IfCorr^tarrtvaluethen: VAL2(Bulktemperature20 OK Cancel HelpI 1 LLEMEN23 ANSYS R15.0 D1C30H 21-05: 27 £3 图30施加对流换热系数 施加热源函数,采用APDL语言。 程序如下: *do,i,1,60,1 x_center=i*rb y_center=O pL«"e solveallsel,alllocal,11,0,i*rb,0,0,,,,,,nsel,s,loc,x,-r,rnsel,r,loc,y,0,rnsel,r,loc,z,0sfdele,all,hfluxsfdele,all,conv,10,20allsel,all *enddo (10)后处理 热源最高温度为2490C。 图31所示为焊接冷却后的温度场分布情况 孟1-aiinu-naa --WKH .賀和垃&531二綁洞-73T52S .EL12IE.34^711i5133B.332379 LdiBip
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- 焊接 数值 模拟