焊接數(shù)值模擬

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料加工過(guò)程數(shù)值模擬基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程25號(hào)鋼平板對(duì)接焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名：王保全學(xué)號(hào)：14SD09004班級(jí)：焊接一班材料科學(xué)與工程學(xué)院ANSYS及其應(yīng)用ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體、電磁熱場(chǎng)等科學(xué)的研究。在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車(chē)交通、國(guó)防軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ANSYS的功能ANSYS的功能如下： 建立計(jì)算模型或者輸入結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品、組件或系統(tǒng)的CAD模型。 應(yīng)用施加載荷或者其他設(shè)計(jì)條件。 研究模型的物理相應(yīng)

2、，如應(yīng)力水平、溫度分布或者電磁場(chǎng)等。 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低產(chǎn)品的費(fèi)用。 做數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)。ANSYS包括100多個(gè)單元，提供了對(duì)各種物理場(chǎng)的分析功能，可以將其應(yīng)用于如下學(xué)科：結(jié)構(gòu)分析、熱分析、高度非線性瞬態(tài)動(dòng)力分析（ANSYS/LS-DYNA）、流體靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析（FLOTRAN）、電磁場(chǎng)分析、聲學(xué)分析、壓電分析、多長(zhǎng)耦合分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析。ANSYS的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能允許優(yōu)化任何方面的設(shè)計(jì)變量和約束變量，如形狀、應(yīng)力、自然頻率、質(zhì)量、費(fèi)用、溫度、次勢(shì)、壓力、速度或離散量等，可進(jìn)行參數(shù)、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化。ANSYS的特點(diǎn)ANSYS作為一個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件，其技術(shù)特點(diǎn)

3、主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 能實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)及多場(chǎng)耦合分析。用戶(hù)不但可用其進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)、熱、流體流動(dòng)、電磁等的單獨(dú)研究，還可以進(jìn)行這些問(wèn)題的相互影響研究。例如：熱-結(jié)構(gòu)耦合，磁-結(jié)構(gòu)耦合以及電-磁-流體-熱耦合等。 實(shí)現(xiàn)前后處理、求解和多場(chǎng)分析統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的一體化大型FEA軟件。 具有多物理場(chǎng)優(yōu)化功能的FEA軟件。 強(qiáng)大的并行計(jì)算功能支持分布式并行和共享內(nèi)存式并行。 多種自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。 良好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境。ANAYS綜合應(yīng)用菜單、對(duì)話框、工具條、命令并行輸入、圖形化輸出等多種方式，從而使應(yīng)用更加方便。 方便的二次開(kāi)發(fā)功能。應(yīng)用宏、參數(shù)設(shè)計(jì)語(yǔ)言、用戶(hù)可編程特性、用戶(hù)自定義界面語(yǔ)言、外部命令等功能，可以

4、開(kāi)發(fā)個(gè)性化的應(yīng)用程序。ANSYS的結(jié)構(gòu)ANSYS主要包括三個(gè)部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶(hù)可以方便的構(gòu)建有限元模型；分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的耦和分析，可模擬多種物理介質(zhì)的的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS有限元分析下面以平板對(duì)接焊的溫度場(chǎng)分

5、析為例詳細(xì)解析ANSYS有限元分析。焊接材料為25號(hào)鋼，平板尺寸為120mm×60mm×6mm，施加熱源為高斯熱源，熱源的有效半徑為6mm。焊接工藝參數(shù)如表1所示。表1焊接工藝參數(shù)工藝參數(shù)電壓/V電流/A焊接速度/(m/s)焊接效率/(%)數(shù)值251800.0175 各種有限元軟件都是由前處理、計(jì)算過(guò)程和后處理三個(gè)模塊組成，但具體到每個(gè)軟件其具體界面以及操作方式并不一樣。下面詳細(xì)解析利用ANSYS分析該問(wèn)題的操作過(guò)程。（1）定義分析路徑點(diǎn)擊ANSYS Product Launcher，如圖1所示。在Simulation Environment中選ANSYS，在License

6、中選ANSYS Multiphysics，定義ANSYS的分析環(huán)境。然后定義工作目錄，在Working Directory中通過(guò)點(diǎn)擊Browse定義分析，然后定義文件名，可在Job Name中更改文件名，本例中選用file為文件名。然后點(diǎn)擊run進(jìn)行分析。 圖1定義分析路徑（2）設(shè)定標(biāo)題從實(shí)菜單選擇File | Change title命令，將彈出Change title對(duì)話框，在enter new title中輸入標(biāo)題，點(diǎn)擊OK按鈕完成標(biāo)題的定義，如圖2所示。圖2定義標(biāo)題（3）選擇菜單過(guò)濾參數(shù)從主菜單中選擇Preference命令，將彈出Preference for GUI Filterin

7、g（菜單過(guò)濾參數(shù)選擇）對(duì)話框，如圖3所示。選中Thermal復(fù)選框，點(diǎn)擊OK按鈕確定。圖3菜單過(guò)濾參數(shù)選擇（4）定義單元類(lèi)型進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)問(wèn)題的幾何結(jié)構(gòu)、分析類(lèi)型和所分析問(wèn)題的精度要求等，選定適合具體分析的單元類(lèi)型。本例中選用熱分析單元類(lèi)型SOLID70，為了劃分網(wǎng)格的需要還選用單元類(lèi)型Mesh200。Mesh200單元類(lèi)型劃分網(wǎng)格生成的單元和節(jié)點(diǎn)在求解中是無(wú)效的，即不會(huì)對(duì)這些單元和節(jié)點(diǎn)求解。從主菜單中選擇preprocessor|element type|add/edit/delete,將彈出element type（單元類(lèi)型）對(duì)話框。點(diǎn)擊add按鈕，將彈出Library of

8、 element type（單元類(lèi)型庫(kù)）對(duì)話框，如圖4所示。然后在左邊的列表中選擇Solid選項(xiàng)，選擇實(shí)體單元類(lèi)型。在右邊的列表中選擇Brick 8node 70選項(xiàng)，選擇把節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元類(lèi)型Solid70。Element type reference number輸入1，即定義單元類(lèi)型號(hào)為1。 圖4單元類(lèi)型對(duì)話框點(diǎn)擊OK按鈕，將Solid70單元添加，如圖5所示。然后再點(diǎn)擊Add按鈕添加Mesh200單元類(lèi)型。再次進(jìn)入單元類(lèi)型庫(kù)，如圖6所示。 圖5單元類(lèi)型 圖6定義Mesh200單元類(lèi)型在左邊的列表中選擇Not Solved，在右邊的列表中選擇Mesh200單元類(lèi)型。點(diǎn)擊OK按鈕進(jìn)入單元類(lèi)型對(duì)

9、話框，如圖7所示。選擇Mesh200單元類(lèi)型，點(diǎn)擊Options按鈕，進(jìn)入MESH200 element type options，如圖8所示。在Elenment shape and # of node K1中選擇QUAD4-NODE,即定義Mesh200為平面四節(jié)點(diǎn)單元類(lèi)型，點(diǎn)擊OK即可。返回Element Type對(duì)話框，然后點(diǎn)擊Close按鈕，關(guān)閉單元類(lèi)型對(duì)話框。 圖7單元類(lèi)型 圖8定義Mesh200單元類(lèi)型（5）定義單位在本例的有限元分析工程中，分析過(guò)程中選用國(guó)際單位制，點(diǎn)擊主菜單Preprocessor|Materials props|Select units，彈出對(duì)話框，如圖9所示

10、，選擇SI(MKS),定義國(guó)際單位制，然后點(diǎn)擊OK按鈕確定。定義角度單位為度，點(diǎn)擊菜單Parameters|Angular units，彈出對(duì)話框，如圖10所示，選擇角度單元Degree DEG,然后點(diǎn)擊OK按鈕，完成對(duì)單位的定義。 圖9定義國(guó)際單位 圖10定義角度單位（6）定義材料參數(shù)從主菜單中選則Preprocessor|Material props|Materialmodels命令，將彈出Define Material Model Behavior（定義材料模型）屬性窗口，如圖11所示。 圖11定義材料模型屬性窗口依次雙擊Thernal |Conductivity |Isotropic，

11、展開(kāi)材料屬性的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，將彈出材料熱傳導(dǎo)定義對(duì)話框。因?yàn)楸纠幸斎氩煌瑴囟认碌牟牧蠀?shù)，所以點(diǎn)擊Add Temperature按鈕，增加不同溫度下的熱傳導(dǎo)數(shù)值，如圖12所示。在KXX文本框中輸入不同溫度下的熱傳導(dǎo)參數(shù)后，點(diǎn)擊OK按鈕，返回定義材料模型屬性窗口。 圖12各項(xiàng)同性材料的熱傳導(dǎo)定義依次雙擊Thermal |Specific heat，展開(kāi)材料屬性的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，將彈出材料比熱定義對(duì)話框。因?yàn)楸纠幸斎氩煌瑴囟认碌牟牧蠀?shù)，所以點(diǎn)擊Add Temperature按鈕，增加不同溫度下的熱傳導(dǎo)數(shù)值，如圖13所示。在C文本框中輸入不同溫度下的比熱參數(shù)后，點(diǎn)擊OK按鈕，返回定義材料模型屬性窗口

12、。依次雙擊Thermal |Density，展開(kāi)材料屬性的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，將彈出材料密度定義對(duì)話框。因?yàn)楸纠幸斎氩煌瑴囟认碌牟牧蠀?shù)，所以點(diǎn)擊Add Temperature按鈕，增加不同溫度下的密度數(shù)值，如圖14所示。在DENS文本框中輸入不同溫度下的密度參數(shù)后，點(diǎn)擊OK按鈕，返回定義材料模型屬性窗口。圖13各向同性材料的比熱定義 圖14各向同性材料的密度定義在Define Material Model Behavior窗口中，從菜單中選擇Material|Exit命令，或者單擊窗口右上角的X按鈕，完成材料模型的定義。（7）建立實(shí)體模型在建立模型的過(guò)程中，應(yīng)考慮到后面的有限元網(wǎng)格劃分。而且在焊接

13、模擬中，焊縫及其附近的網(wǎng)格采用較密的網(wǎng)格劃分，而離焊縫較遠(yuǎn)的位置采用較疏的網(wǎng)格。首先定義模型的標(biāo)量參數(shù)。單擊菜單Parameter|Scalar Parameter,在Selction中輸入LENGTH=0.12，點(diǎn)擊Acecept按鈕，完成對(duì)長(zhǎng)度參數(shù)的定義。然后依次輸入WIDTH=0.06，HEIGHT=0.006，RB=0.002，U=25，I=180，V=0.01,EFF=0.75，R=0.006，q=U*I*EFF,x_center=0,y_center=0,如圖15所示。最后點(diǎn)擊Close按鈕，完成對(duì)各個(gè)參數(shù)的定義。建立模型，點(diǎn)擊主菜單Preprocessor|Modeling|Vo

14、lumes|Block|By dimension，彈出創(chuàng)建實(shí)體對(duì)話框，在其中輸入各個(gè)尺寸參數(shù)，如圖16所示，建立模型如圖17所示。點(diǎn)擊主菜單Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|By dimension建立兩個(gè)過(guò)渡實(shí)體，如圖18所示，命令流為：block,0,2*rb,3*rb,5*rb,0,-heightblock,2*rb,4*rb,3*rb,5*rb,0,-height圖15定義標(biāo)量參數(shù)圖16定義實(shí)體對(duì)話框圖17有限元模型 圖18有限元過(guò)渡實(shí)體模型 圖19有限元網(wǎng)格劃分模型指定各個(gè)過(guò)渡實(shí)體的線的網(wǎng)格劃分。然后通過(guò)APDL語(yǔ)言聲稱(chēng)其他的實(shí)體，如圖19所示。

15、命令如下：vsel,s,2,3 !此實(shí)體為所建立的過(guò)渡實(shí)體cm,vl,voluallsel,all*do,i,1,14,1vgen,2,v1,i*4*rb,1,0,*enddo 依照上面的方法，建立隨后的實(shí)體模型，如圖20所示。點(diǎn)擊主菜單Preprocessor|Numbering ctrls| Merge items，彈出關(guān)鍵點(diǎn)壓縮菜單，在Label選擇關(guān)鍵點(diǎn)，然后點(diǎn)擊OK按鈕完成壓縮，如圖21所示。 圖20實(shí)體模型 圖21關(guān)鍵點(diǎn)壓縮點(diǎn)擊Moddeling|Booleans|Glue|Volumes，彈出Glue Volumes對(duì)話框，如圖22所示，點(diǎn)擊Pick all，對(duì)所建立的模型進(jìn)行布

16、爾運(yùn)算，即把所有的模型粘在一起。（8）網(wǎng)格劃分對(duì)焊縫實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先選擇焊縫區(qū)域的實(shí)體，點(diǎn)擊實(shí)菜單Select|Entities，選擇實(shí)體Volumes-By location-Y coordinate，分別在最小值、最大值文本框中輸入最大值和最小值0,3*rb，點(diǎn)擊OK按鈕完成對(duì)實(shí)體的選擇，如圖23所示。 圖22體的布爾運(yùn)算 圖23選擇實(shí)體然后對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。隨后對(duì)過(guò)渡單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。依次對(duì)其他的實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后實(shí)體的網(wǎng)格劃分的情況如圖24所示。圖24模型的網(wǎng)格劃分（9）有限元求解點(diǎn)擊主菜單Solution|Analysis type|New analysis，彈出分析類(lèi)型

17、對(duì)話框，如圖25所示。選擇Transistent復(fù)選框，點(diǎn)擊OK按鈕，彈出瞬態(tài)分析對(duì)話框，如圖26所示，點(diǎn)擊OK即可。打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，點(diǎn)擊Solution|Load step opts|Time/frequent|Time-time step，彈出對(duì)話框，如圖27所示，在AUTOTS中選擇ON,然后點(diǎn)擊OK按鈕。定義熱源函數(shù)，點(diǎn)擊菜單Parameter|Function|Define/Edit，彈出Function Editor對(duì)話框，如圖28所示。在Result文本框中輸入高斯熱源的函數(shù)表達(dá)式，然后點(diǎn)擊File|Save保存文件。隨后點(diǎn)擊Parameter|Functions|Read f

18、rom file，選取剛剛命名的函數(shù)表達(dá)式。在Table parameter name中命名arc，在Constant Values中輸入各個(gè)參數(shù)，點(diǎn)擊OK按鈕，完成函數(shù)的定義。圖25分析類(lèi)型 圖26瞬態(tài)分析選項(xiàng) 圖27自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng) 圖28焊接編輯器施加對(duì)流換熱系數(shù)。點(diǎn)擊Solution|Defineloads|Apply|Thermal|Convection|On nodes,彈出施加熱流對(duì)話框，如圖29所示。在VALI文本框中輸入10，在VAL2I文本框中輸入20。在除對(duì)稱(chēng)面外的平面上施加對(duì)流換熱系數(shù)，如圖30所示。 圖29施加熱流對(duì)話框 圖30施加對(duì)流換熱系數(shù) 施加熱源函數(shù)，采用APDL語(yǔ)言。程序如下：*do,i,1,60,1x_center=i*rby_center=0arc(5,0,1)=x_centerarc(6,0,1)=y_centerlocal,11,0,i*rb,0,0,n sel,s,loc,x,-r,rn sel,r,loc,y,0,rn sel,r,loc,z,0sfdele,all,con