镁合金焊缝数值模拟.docx
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镁合金焊缝数值模拟
镁合金的残余应力及温度场分析(直接法)
一、问题的描述
如图1所示为焊缝的剖面示意图,为镁合金的双面焊接,求在焊接后的焊接残余应力以及在焊接过程中的温度变化。
假定没有对流和辐射,结构左面固定约束,左右两边界均给定20℃的温度约束。
整个材料都是镁合金,其中焊缝左右的初始温度是环境温度20℃,焊缝是1500℃。
镁合金材料的属性如表1所示,其中材料1和3,分别是焊缝的左边和右边金属的属性,材料2是焊缝金属的属性。
材料1、2
摄氏
温度℃
弹性模量
Pa
屈服强度
Pa
切变模量
Pa
材料密度
Kg/m3
泊松比
传热系数
W/(m·K)
线胀系数
1/℃
比热容
J/(Kg℃)
镁
合
金
20
1.02e11
0.8e9
1.02e10
1740
0.35
51
26.1e-6
102
500
0.5e11
0.4e9
0.5e10
1000
0.08e11
0.07e9
0.08e10
1500
0.001e11
0.001e9
0.001e10
2000
0.0001e11
0.0001e9
0.0001e10
材料3
摄氏
温度℃
弹性模量
Pa
屈服强度
Pa
切变模量
Pa
材料密度
Kg/m3
泊松比
传热系数
W/(m·K)
线胀系数
1/℃
比热容
J/(Kg℃)
镁
合
金
20
2.02e11
0.8e9
1.02e10
1740
0.35
51
26.1e-6
102
500
0.6e11
0.4e9
0.5e10
1000
0.09e11
0.07e9
0.08e10
1500
0.002e11
0.001e9
0.001e10
2000
0.0002e11
0.0001e9
0.0001e10
表1
二前处理
(1)定义工作文件名:
UtilityMenu>File>ChangeJobname,在弹出的对话框中输入文件名为Weld,单击OK按钮。
(2)定义工作标题:
UtilityMenu>File>ChangeTitle,在弹出的对话框中输入weld,单击OK按钮。
(3)关闭坐标符号的显示:
UtilityMenu>PlotCtrls>WindowControls>WindowOptions,弹出一个对话框,在Locationoftriad后面的下拉式选择栏中选择NoShown,单击OK按钮。
(4)定义单元类型:
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,出现ElementType对话框,单击Add按钮,出现LibraryofElementType对话框,如图2所示,在该对话框左边的列表中单击CoupledField,在其右面的列表栏中单击VectorQaud13,单击OK按钮。
图2
(5)设置单元选项:
单击ElementTypes对话框的Options按钮,弹出PLANE13elementtypeoptions对话框,如图3所示,在K1后面下拉列表中选择UXUYTEMPAZ,在K3后面的下拉列表中选择Planestrain,单击OK按钮。
最后单击ElementTypes对话框的Close按钮,关闭该对话框。
图3
(6)定义材料的弹性模量:
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels,出现DifineMeterialModelBehavior对话框,如图4所示,在MaterialModelAvailable栏中,连续双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic,出现LinearIsotropicMaterialPropertiesForMaterialNumber1对话框,连四次单击AddTemperature,将生成如图5所示的表格图,在Temperature后面分别填入200,500,1000,1500,2000,在EX后面分别填入镁合金在各温度时刻对应的弹性模量,在PRXY后面填入对应的泊松比,单击Graph按钮可绘出弹性模量的曲线图,如图6,然后单击OK。
图4
图5
图6
(7)设定材料的线膨胀系数:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Structural>ThermalExpansion>SecantCofficient>Isotropic,出现ThermalExpansionSecantCofficientForMaterialNumber1对话框,在ReferenceTemperature后面输入20,连续四次AddTemperature,建立如图7所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在ALPX后面均输入26.1E-006,单击OK按钮。
图7
(8)定义材料的密度:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Structural>Density,弹出密度定义对话框,连续单击四次AddTemperature按钮,建立如图8所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在DENS后面均输入1740,单击OK按钮。
图8
(9)定义双线性材料属性:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Structural>Nonlinear>Inelastic>RateIndependent>IsotropicHardeningPlasticity>MisesPlasticity>Bilinear,弹出双线性材料定义对话框,连续单击四次AddTemperature按钮,建立如图9所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在YieldStss后面均输入镁合金对应于五个温度值的屈服强度,在TangMod后面均输入镁合金对应于五个温度值的切变模量,单击Graph按钮可绘制屈服强度、切变模量与温度的关系图,如图10所示。
图9
图10
(10)定义镁合金的热传导率:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Thermal>Conductivity>Isotropic,弹出双ConductivityforMaterialNumber1对话框,连续单击四次AddTemperature按钮,建立如图11所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在KXX后面均输入51,单击OK按钮。
图11
(11)定义镁合金的比热容:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Thermal>SpecificHeat,弹出双SpecificHeatforMaterialNumber1对话框,连续单击四次AddTemperature按钮,建立如图11所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在C后面均输入102,单击OK按钮
图12
(12)定义磁常数:
连续双击DifineMeterialModelBehavior对话框中的Electromagnetic>RelativePermeability>Constant,弹出RelativePermeability(Constant)forMaterialNumber1对话框,连续单击四次AddTemperature按钮,建立如图13所示的表格,在Temperature后面填入200,500,1000,1500,2000,在MURX后面均输入1,单击OK按钮。
图13
(13)定义第二种和第三种材料的属性:
Material>NewModel,弹出DefineMaterialID对话框,如图14所示,输入2,单击OK按钮。
重复6到12步骤可以定义第二种材料的属性,然后定义第三种材料的属性。
最后单击Material>Exit,退出材料属性设置窗口。
图14
最后的三种材料属性定义完毕时的情况如下所示:
三建立镁合金焊缝
(1)关键点的建立:
依次选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>KeyPoints>InActiveCS,创建如表2所示的14个关键点。
建立一个关键点后单击Apply,建立下一个关键点,如图15所示。
编号
X
Y
Z
编号
X
Y
Z
1
0
0
0
8
23
7
0
2
19
0
0
9
0
15
0
3
26
0
0
10
18
15
0
4
45
0
0
11
27
15
0
5
22
6
0
12
45
15
0
6
23
6
0
13
22.5
15.944
0
7
22
7
0
14
22.5
-0.708
0
表2
图15
(2)线的建立:
依次选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Lines>Straightline,然后依次选择关键点1、2、5、7、10、9、1,3、4、12、11、8、6、3,完成后单击OK,如图16所示。
图16
(3)圆弧的建立:
依次选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Lines>Arcs>Through3KPs,单击点的顺序为10、11、13,单击Apply,单击点顺序为2、3、14,单击OK,如图17所示。
图17
(4)面的建立:
选择MainMenu>Preprocessor>Modeling>Create>Areas>Arbitrary>ByLines,依次选择焊缝的一个面内的各条线,如图18;形成一个面后单击Apply,再选择另外各面的线形成面,如图19;单击Apply,如上操作,如图20所示,最后单击OK。
图18
图19
图20
四镁合金焊缝网格划分
(1)设定单元属性:
Utility>PoltCtrls>Numbering….>AreaNumbers,单击旁边的按钮为ON;然后单击Plot>Areas。
单击MainMenu>Preprocessor>
(2)依次选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshTool,如图21所示,在第一个下拉菜单中选择Areas,点击SmartSize,拉动滑动条到1。
单击第二个Mesh下拉菜单中选择Areas,Shape选择Quad;然后单击下面的Mesh按钮,弹出拾取框,选择PickAll,单击OK按钮。
网格划分如图22所示。
图21图22
五加载并求解
(1)设定分析类型:
MainMenu>Solution>AnalysisType>NewAnalysis,弹出NewAnalysis对话框,如图23所示,在TtpeOfAnalysis后面选择Transient,单击OK按钮。
图23
(2)设定求解方法:
又弹出TransientAnalysis对话框,如图24所示,在Solutionmethod后面选择Full,单击OK按钮。
图24
(3)选择左边节点:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities工具条,在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择ByLocation,在下面选择Xcoordinate,在Min,Max下面输入0,在下面选择FromFull,单击OK按钮。
(4)施加位移约束:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structual>Displacement>
OnNodes,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出ApplyU,ROTonNodes对话框,如图25所示,在Lab2后面选择UX,UY,单击OK按钮。
图25
(5)选择左右两边的节点:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出SelectEntities工具条,在第一个下拉列表中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择ByLocation,在下面选择Xcoordinate,在Min,Max下面输入45,在下面选择AlsoSelect,单击OK按钮。
(6)施加温度约束:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Thermal>Temperature>OnNodes,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出ApplyTEMPonNodes对话框,在Lab2后面选择TEMP,单击OK按钮。
(7)选择所有实体:
UtilityMenu>Select>Everything。
(8)显示所有实体:
UtilityMenu>Plot>Elements,结果如图26所示。
图26
(9)保存设置:
单击ANSYSToolbar上的SAVE_DB按钮。
(10)设置输出选项:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>OutputCtrls>DB/ResultsFile,弹出如图27所示的对话框,在Filewritefrequency后面选择Everysubstep,单击OK按钮。
图27
(11)施加初始温度值(20℃):
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>InitialCondit’n>Define,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出DefineInitialConditions对话框,如图28所示,在DOFtobespecified后面的下拉列表中选择TEMP,在InitialvalueofDOF后面输入20,单击OK按钮。
图28
(12)设置时间积分控制:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>TimeIntegration>AmplitudeDecay,弹出TimeIntegrationControls对话框,如图29所示,在ForStructuralDOFs后面的Off,在ForThermalDOFs后面单击为On,在FormagneticDOFs后面单击为Off,在GAMMA后面输入0.005,在THETA后面输入1,在OSLM后面输入0.5,在TOL后面输入0.2,单击OK按钮。
图29
(13)杀死焊缝上半部单元和下部单元:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>Birth&Death>KillElements,弹出拾取菜单,在图形上选择要杀死的单元,单击OK按钮,结果如图30所示。
图30
(14)选择激活的单元:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,如图31所示,在第一个下拉列表选择Elements,在第二个下拉列表选择LiveElem’s,下面选择FromFull,单击OK按钮。
图31
(15)显示激活的单元:
UtilityMenu>Plot>Elements,结果如图32所示。
图32
(16)选择焊缝处激活的单元:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Elements,在第二个下拉列表选择RyAttributes,在下面选择MaterialNum,在Min,Max,Inc下面输入2,在下面择Reselect,单击OK按钮。
(17)选择焊缝处激活的节点:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Nodes,在第二个下拉列表选择Attachedto,在下面选择Elements,在下面择FromFull,单击OK按钮。
注意:
下面给选中的节点施加温度约束,但这约束并不是真实的约束,而是为了得到初始温度场分布二附加的,在得到初始温度场分布之后,必须删除这些约束。
(18)施加温度约束:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Themral>Temperature>OnNodes,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出ApplyTEMPNodes对话框,如图33所示,在Lab2后面选择TEMP,在VALUE后面输入1500,单击OK按钮。
图33
(19)选择所有实体:
UtilityMenu>Select>Everything。
(20)显示所有单元:
UtilityMenu>Plot>Elements,结果如图34所示。
图34
(21)设置时间步选项:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>TimeandSubsteps,弹出TimeandSubstepOptions对话框,如图35所示,在Timeatendofloadstep后面输入0.001,在Numberofsubsteps后面输入1,在Steppedorrampedb.c后面单击Stepped,单击OK按钮。
图35
(22)写入第一个载荷步(用于计算初始温度场):
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>WriteLSFile,弹出WriteLoadStepFile对话框,输入1,单击OK按钮,如图36所示。
图36
(23)设置时间步选项:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>TimeandSubsteps,弹出TimeandSubstepOptions对话框,在Timeatendofloadstep后面输入0.002,在Numberofsubsteps后面输入1,在Steppedorrampedb.c后面单击Stepped,单击OK按钮。
(24)写入第二个载荷步(用于计算初始温度场):
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>WriteLSFile,弹出WriteLoadStepFile对话框,输入2,单击OK按钮。
(25)选择处激活的单元:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Elements,在第二个下拉列表选择LiveEiem’s,在下面选择FromFull,单击OK按钮。
(26)选择焊缝处激活的单元:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Elements,在第二个下拉列表选择RyAttributes,在下面选择MaterialNum,在Min,Max,Inc下面输入2,在下面择Reselect,单击OK按钮。
(27)选择焊缝处激活的节点:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Nodes,在第二个下拉列表选择Attachedto,在下面选择Elements,在M在下面择FromFull,单击OK按钮.
(28)删除第一级焊缝处的温度约束:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Delete>Themral>Temperature>OnNodes,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出DeleteNodeConstraints对话框,如图37所示,在Lab后面选择TEMP,单击OK按钮。
图37
(29)选择所有实体:
UtilityMenu>Select>Everything。
(30)显示所有实体:
UtilityMenu>Plot>Elements。
(31)设置时间步选项:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>TimeandSubsteps,弹出TimeandSubstepOptions对话框,在Timeatendofloadstep后面输入5,在Numberofsubsteps后面输入2,在Steppedorrampedb.c后面单击Stepped,单击OK按钮。
(32)写入第三个载荷步(用于计算初始温度场):
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>WriteLSFile,弹出WriteLoadStepFile对话框,输入3,单击OK按钮。
(33)激活第二级焊缝单元:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>Birth&Death>ActiveElem,弹出拾取菜单,在图形上拾取第二级焊缝单元,单击OK按钮,结果如图38所示。
图38
(34)选择第二级焊缝的单元(即刚才激活的单元):
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Elements,在第二个下拉列表选择ByNum/Pick,在下面选择FromFull,单击OK按钮,弹出拾取菜单,在图形上拾取刚才激活的第二级焊缝单元,拾取完毕后,单击Ok按钮。
(35)选择第二季焊缝的节点:
UtilityMenu>Select>Entities,弹出选择工具条,在第一个下拉列表选择Nodes,在第二个下拉列表选择Attachedto,在下面选择Elements,再下面选择FromFull,单击Ok按钮。
(36)施加温度约束:
MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Themral>Temperature>OnNodes,弹出拾取菜单,单击PickAll,弹出ApplyTEMPNodes对话框,如图33所示,在Lab2后面选择TEMP,在VALUE后面输入1500,单击OK按钮。
(37)选择所有实体:
UtilityMenu>Select>Everything。
(38)显示所有实体:
UtilityMenu>Plot>Elements,结果如图39所示。
图39
(39)设置时间步选项:
MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Time/Frequency>TimeandS
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