武汉理工大学材料成型CAE综合实验实验报告

实验课程名称：材料成型CAE综合实验实验工程名称自主设计焊接接头冷却过程的温度场和应力场实验成绩实验者专业班级组别同组者实验日期年月日第一局部：实验预习报告〔包括实验目的、意义，实验根本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等〕〔一〕实验目的对焊接接头应力及温度场分析是材料成型CAE中较为复杂的问题，它涉及到热与结构耦合等问题。在焊接过程中，焊接接头的温度场会直接影响到焊接接头最终的组织和性能，是焊接过过程数值模拟的主要任务；焊接接头的应力场那么对焊接结构产品的使用性能至关重要。通过对焊接接头温度场和应力场的有限元模拟，学习用ANSYS对实际工程问题进行数值分析的过程。〔二〕根本原理和方法1〕根本原理：有限元法是一种离散化的数值计算方法。离散后的单元和单元之间只通过节点相联系，所有场变量〔位移、应力、温度等〕都通过节点进行计算。对于每个单元，选取适当的插值函数，使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程都组装起来，就得到整个结构的方程组。求解方程组，就可以得到方程的近似解。用ANSYS软件进行有限元分析，整个过程〔以结构分析为例〕可分为：前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。加载求解：根据作用力等效原那么将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上；根据边界条件修改刚度方程，消除刚体位移；求解整体刚度方程，得到节点位移；根据相应方程求解应力和应变等。后处理：利用计算机图形方式，将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析等。2〕方法：方法：命令流的执行通常从输入框中读入：将“”中的命令采用复制的方式，粘贴到输入框中，按“Enter”键即可执行。一次可复制一条、多条直至整个命令流文件。〔三〕实验内容某一圆环由环形钢板和铁板焊接而成，焊接材料为铜，如图为其纵截面的1/2。圆盘初始温度为800℃，将圆环放置于空气中进行冷却，周围空气为30℃，对流系数为120W/(m2℃)。求5min后圆环内部的温度场和应力场分布。〔材料参数见表〕各种材料的属性见下表：材料温度℃弹性模量EXGPa屈服强度GPa切变模量GPa导热系数W/(m℃)线胀系数1/℃比热容J/(kg℃)密度kg/m3泊松PRXY比钢302060×10-54657840200192400175600153800125铜30103399×10-5386893020099389400903796007936680058352铁301188×10-54557870200109400936007580052第二局部：实验过程记录〔可加页〕〔包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等〕等效应力场等值线图合位移场等值线图温度场等值线图教师签字_________附：finish/clear,start/prep7!进入前处理器et,1,plane13!选择单元类型为plane13keyopt,1,1,4!keyopt,1,3,1mp,alpx,1,1.1e-5!输入钢的线膨胀系数mp,dens,1,7840!输入钢的密度mp,c,1,465!输入钢的比热mptemp,,30,200,400,600,800!定义钢的温度mpdata,ex,1,,2.06e11,1.92e11,1.75e11,1.53e11,1.25e11!输入不同温度的弹性模量mpdata,prxy,1,,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3!输入不同温度的泊松比mpdata,kxx,1,,49.8,44.8,39.4,34.0,29.0!输入不同温度的导热系数tb,bkin,1,5!指定材料模型tbtemp,30!设定温度点tbdata,1,1.40e9,2.06e10!输入钢的屈服强度和切变模量tbtemp,200tbtemp,400tbtemp,600tbtemp,800mp,alpx,2,1.66e-5!输入铜的线膨胀系数mp,dens,2,8930mp,c,2,386mpdata,kxx,2,,399,389,379,366,352tb,bkin,2,5tbtemp,30tbtemp,200tbtemp,400tbtemp,600tbtemp,800mp,alpx,3,1.18e-5!输入铁的线膨胀系数mp,dens,3,7870mp,c,3,455tb,bkin,3,5tbtemp,30tbtemp,200tbtemp,400tbtemp,600tbtemp,800k,1,1!创立关键点a,1,2,5,4a,2,3,7,6larc,5,6,2,0.3!生成圆弧线al,2,8,9lsel,s,,,2,8,2lsel,a,,,9lesize,all,,,10lsel,s,,,1,7,2lesize,all,,,16mat,1amesh,1mat,2amesh,3mat,3amesh,2nummrg,all!合并同位置或等效实体numcmp,all!压缩实体编号allselfinish/solu!进入求解器antype,transtrnopt,full!指定分析类型timint,1,struct!翻开结构分析时间积分选项timint,1,therm!翻开热分析时间积分选项time,300!定义计算终止时间deltim,30,15,60!指定最大、最小时间步长autots,on!翻开自动时间步长kbc,1!设置加载方式outres,,allbfunif,temp,800!施加温度载荷lsel,s,,,1,9,2lsel,a,,,4,6,2nsll,s,1sf,all,conv,120,30!施加对流载荷lsel,s,,,1,5,4nsll,s,1d,all,uy!施加位移载荷allselsolve!开始计算finish/post1!进入后处理器set,last!读取最终求解结果plnsol,temp!绘制温度场等值线图plnsol,u,sum!绘制合位移场等值线图plnsol,s,eqv!绘制等效应力场等值线图finish第三局部结果与讨论一、实验结果分析〔包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等〕二、小结、建议及体会三、思考题实验结果分析：〔1〕由于坡口较大，导致根部应力过大，由图可充分看出焊缝根部出现应力集中，这和实际的应力场符合，同时图中的温度场的分布也符合实际的焊接温度场分布，说明建立的模型是正确的；〔2〕本实验中采用命令流法，可以自主修改坡口的根本参数，从而设计最适宜的坡口来满足焊接条件，这样有很高的实用性。小结、建议及体会：通过本次实验，我接触到了运用命令流APDL编程的方式对自主设计的焊接接头的温度场和应力场进行数值模拟分析方法，发现相对于ANSYS中的GUI法来讲，命令流法减少了工作量，不需进行重复的工作，对于复杂有限元模型的分析而言更为简洁，但须清楚每一指令的含义，这样操作起来就会方便快捷很多，通过对实验一命令流相关命令的格式及功能的初步理解，结合实例，尝试进行对焊接接头温度场应力场模型分析的编程，我对于运用命令流进行有限元分析有了初步的掌握。实验课程名称：材料成型CAE综合实验实验工程名称自主设计焊接桁架的应力场和挠度实验成绩实验者专业班级组别同组者实验日期年月日第一局部：实验预习报告〔包括实验目的、意义，实验根本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等〕〔一〕实验目的1〕学习ANSYS命令流法：弄清各相关命令语句的含义和使用方法。2〕通过对实验三的命令流文件〔〕进行自主修改，并上机调试运行，初步熟悉用ANSYS命令流进行有限元分析的方法。〔二〕根本原理和方法1〕根本原理：有限元法是一种离散化的数值计算方法。离散后的单元和单元之间只通过节点相联系，所有场变量〔位移、应力、温度等〕都通过节点进行计算。对于每个单元，选取适当的插值函数，使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程都组装起来，就得到整个结构的方程组。求解方程组，就可以得到方程的近似解。用ANSYS软件进行有限元分析，整个过程〔以结构分析为例〕可分为：前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。加载求解：根据作用力等效原那么将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上；根据边界条件修改刚度方程，消除刚体位移；求解整体刚度方程，得到节点位移；根据相应方程求解应力和应变等。后处理：利用计算机图形方式，将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析等。2〕方法：命令流的执行通常从输入框中读入：将“”中的命令采用复制的方式，粘贴到输入框中，按“Enter”键即可执行。一次可复制一条、多条直至整个命令流文件。〔三〕实验内容1〕学习实验三的命令流文件〔〕，弄清各相关命令语句的含义和使用方法。可参阅帮助文件〔英文〕，或查找ANSYS命令流手册〔图书或上网搜索、如百度一下所选命令的用法〕。2〕对实验三的的命令流文件〔〕进行自主修改。下列图为桁架的示意图，其结构是通过空心方钢焊接而成，初始尺寸为：1#方钢为40mm×40mm×4mm，2#方钢为30mm×30mm×4mm,3#方钢为70mm×70mm×3mm，4#方钢为80mm×80mm×4mm。方钢的弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ=0.3，密度ρ=7850kg/m3，桁架结构一端固定，另一端收均布载荷为P=10kPa。3〕将修改后的命令流进行上机调试运行，获得数值模拟分析结果。4〕对数值模拟分析结果进行讨论。第二局部：实验过程记录〔可加页〕〔包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等〕应力场如下：总位移量如下：教师签字_________附：finish!退出当前处理器/clear,start!重新开始一个新分析/triad,off!关闭直角坐标系的三角符号/view,1,1,1,1a1=40/1000!输入1#方钢的尺寸b1=a1-2*t1area1=a1*a1-b1*b1!计算1#方钢的面积izz1=(a1**4-b1**4)/12!计算惯性矩a2=30/1000!输入2#方钢的尺寸b2=a2-2*t2area2=a2*a2-b2*b2!计算2#方钢的面积izz2=(a2**4-b2**4)/12!计算惯性矩a3=70/1000!输入3#方钢的尺寸b3=a3-2*t3area3=a3*a3-b3*b3!计算3#方钢的面积izz3=(a3**4-b3**4)/12!计算惯性矩a4=80/1000!输入4#方钢的尺寸a4=80/1000b4=a4-2*t4area4=a4*a4-b4*b4!计算4#方钢的面积izz4=(a4**4-b4**4)/12!计算惯性矩/prep7!进入前处理器et,1,beam4!选择单元类型r,1,area1,izz1,izz1,a1,a1,,!输入1#方钢的实常数rmore,,,,,,,r,2,area2,izz2,izz2,a2,a2,,!输入2#方钢的实常数rmore,,,,,,,r,3,area3,izz3,izz3,a3,a3,,!输入3#方钢的实常数rmore,,,,,,,r,4,area4,izz4,izz4,a4,a4,,!输入4#方钢的实常数rmore,,,,,,,p=7850!输入材料的密度mp,ex,1,2.06e11!输入材料的弹性模量mp,prxy,1,p!输入材料的泊松比n,1,0,,,,,,!生成第1个节点n,2,900/1000,,,,,,n,3,1820/1000,,,,,,n,4,2740/1000,,,,,,n,5,3815/1000,,,,,,n,6,4890/1000,,,,,,n,7,5965/1000,,,,,,n,8,7040/1000,,,,,,n,9,8115/1000,,,,,,n,10,9190/1000,,,,,,n,11,10265/1000,,,,,,!生成第11个节点ngen,2,11,1,11,1,,1005/1000,,1,!通过复制生成11个节点ngen,2,22,1,11,1,,,490/1000,1,ngen,2,33,1,22,1,,,490*2/1000,1,!通过复制生成22个节点real,1!指定实常数e,(12:21),(13:22)!使用冒号循环生成10个单元e,(45:54),(46:55)real,2!生成2#方钢的单元e,(1:10),(2:11)e,(34:43),(35:44)real,3!生成3#方钢的单元e,1,12e,34,45e,1,23e,23,34real,4!生成4#方钢的单元e,(2:11),(13:22)e,(2:11),(24:33)e,(1:10),(24:33)e,(1:10),(13:22)e,(35:44),(46:55)e,(24:33),(35:44)e,(24:33),(34:43)e,(34:43),(46:55)e,22,55e,22,33e,33,55/eshape,1!显示单元的形状finish!退出前处理器/solu!进入求解器nsel,s,loc,x,0!选择X=0的所有节点d,all,,,,,,all,,,,,!在所选节点上施加全约束nsel,all!选择所有节点acel,0,9.8,0,!考虑自重的作用，在整体结构上施加重力加速度sfbeam,125,2,pres,10000,,,,,,!在125号单元的第2个面上施加均布力solve!开始求解finish!退出求解器/post1!进入通用后处理器plnsol,u,sum,0,1!显示总位移量plnsol,s,eqv,0,1!显示应力场finish!退出后处理器第三局部结果与讨论一、实验结果分析〔包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等〕二、小结、建议及体会三、思考题实验结果分析：〔1〕实验中4号钢较多这样桁架自重较大，总位移图比实验三中位移大，符合材料力学的知识，由于桁架中最大弯矩在桁架中间，桁架应力最大在中间局部，这也和实际问题相符合，说明模型是正确的；〔2〕用ansys对桁架结构进行分析，可以快速直接得到应力集中和挠度最大的地方，发现危险点，这在复杂的桁架结构中可以的广泛应用。小结、建议及体会：通过本次实验，我对焊接CAE的根本内容之一的焊接结构的应力分析有了一定掌握。通过对自主设计焊接桁架的应力场和挠度的有限元模拟，初步学习到了用ANSYS对实际工程问题进行数值分析的过程，进一步熟悉了命令流的运用，掌握了更多命令流命令语句的含义和使用方法。经过调试后也顺利完成分析，相信这对我更深入的学习命令流有限元分析有很大的帮助。实验课程名称：材料成型CAE综合实验实验工程名称自主设计工件淬火冷却过程的温度场和冷却曲线实验成绩实验者专业班级组别同组者实验日期年月日第一局部：实验预习报告〔包括实验目的、意义，实验根本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等〕〔一〕实验目的热处理是改善金属材料机械性能的主要手段。材料成型的过程及其产品的改性往往都会涉及到热处理工艺过程，例如焊接过程的热影响区〔HAZ〕和焊后的热处理就是如此。因此，对热处理工艺过程的数值模拟，也是材料成型CAE中比拟重要的内容之一。通过自主设计工件淬火冷却过程温度场和应力场的有限元模拟，学习用ANSYS对实际工程问题进行数值分析的过程。〔二〕根本原理和方法1〕根本原理：有限元法是一种离散化的数值计算方法。离散后的单元和单元之间只通过节点相联系，所有场变量〔位移、应力、温度等〕都通过节点进行计算。对于每个单元，选取适当的插值函数，使得在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程都组装起来，就得到整个结构的方程组。求解方程组，就可以得到方程的近似解。用ANSYS软件进行有限元分析，整个过程〔以结构分析为例〕可分为：前处理：建立几何模型；对几何模型进行离散化处理等。加载求解：根据作用力等效原那么将每个单元所受的载荷移置到该单元的节点上；根据边界条件修改刚度方程，消除刚体位移；求解整体刚度方程，得到节点位移；根据相应方程求解应力和应变等。后处理：利用计算机图形方式，将计算结果以变形网格、等值线、彩色云图、动画等方式进行显示与分析等。方法：命令流的执行通常从输入框中读入：将“”中的命令采用复制的方式，粘贴到输入框中，按“Enter”键即可执行。一次可复制一条、多条直至整个命令流文件。〔三〕实验内容1〕学习实验五的命令流文件〔〕，弄清各相关命令语句的含义和使用方法。可参阅帮助文件〔英文〕，或查找ANSYS命令流手册〔图书或上网搜索，如百度一下所选命令的用法〕。2〕下列图为圆柱工件的示意图，材料的导热系数为λ=30W/(moC)，密度ρ=7850kg/m3，比热为C=460J/(kgoC)，冷却初始温度T1=900℃，外表对流换热系数h=650W/(m2oC)，环境温度为T2=50℃。3〕将修改后的命令流进行上机调试运行，获得数值模拟分析结果。4〕对数值模拟分析结果进行讨论。第二局部：实验过程记录〔可加页〕〔包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等〕用云图显示节点温度用云图显示剖面节点温度下列图显示心部、中间层、外表层三处节点温度随时间的变化教师签字_________附：finish!退出当前处理器/clear,start!去除当前数据库文件，并开始新的启动/filname,cylinder!定义文件名/prep7!进入前处理器/unit,si!采用国际单位制et,1,solid87!选择单元类型为solid87mp,kxx,1,30!定义零件的热传导系数mp,dens,1,7850!定义零件的密度mp,c,1,460!定义零件的比热/view,1,1,1,1!指定显示的浏览方向cylid,0,0.5,0,0.9,0,90!建立1/4圆柱几何模型allsel,all!选择所有实体esize,0.08!定义单元划分尺寸mshkey,0!设置映射划分单元类型vmesh,1!划分网格/solu!进入求解器tunif,880!定义初始温度asel,s,,,3!选择外外表3asel,a,,,2!再加上外外表2asel,a,,,1!再加上外外表1sfa,all,1,conv,650,50!在面上施加对流换热载荷antype,trans!设置为瞬态求解kbc,1!设置为阶跃载荷施加outres,,all!定义结果输出toffst,273!定义温度偏移量allsel,all!选择所有节点autots,on!翻开自动时间开关deltim,10,10,20!定义时间子步time,3600!定义求解时间solve!求解!以下为用云图方式显示最后载荷步的节点温度场、剖切面节点温度场/post1!进入通用后处理器set,last!从结果文件中读出最后载荷步的数据集/expand,4,polar,,,90!设置三维周期扩展选项plnsol,temp!用云图方式显示节点温度wpoffs,,,0.4!将工作平面平移至圆柱中部/cplane,1!沿工作面将圆柱切开/type,,1!显示类型为显示剖切面set,last!从结果文件中读出最后载荷步的数据集plnsol,temp!用云图方式显示剖切面节点温度/view,1,0,0,1!指定显示的浏览方向plnsol,temp!用云图方式显示剖切面节点温度finish!退出通用后处理器!以下为用图形方式显示心部、中间层、外表层三处节点温度随时间的变化〔冷却曲线〕/post26!进入时间历程后处理器/gthk,axis,3!设置坐标轴线的宽度/gthk,curve,3!设置曲线的宽度/axlab,x,time(sec)