《材料成形原理》实验指导书

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1、材料成形原理实验指导书施钢　编写机械工程系材料实验室2011年12月实验一焊接热过程仿真实验一、实验目的1、通过实验加强对瞬时点热源焊接温度场和焊接热循环的概念、解析解和数值解的特点等的感性认识。2、使用Matlab进行点热源理论温度场计算。3、使用Ansys软件进行点热源温度场仿真和热循环曲线计算。4、研究数值仿真的精度；探讨影响焊接温度场和焊接热循环的因素及焊接工艺参数的影响。二、实验内容1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接理论温度分布曲线。2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算，观察

2、温度分布云图，绘制指定点的焊接热循环曲线。3、探讨数值仿真的精度，对瞬时点热源焊接温度场和热循环曲线的影响因素及焊接工艺参数进行定量定性的探讨。三、实验步骤1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。(1)启动Matlab软件；(2)打开新文件(3)编写程序（4）运行程序（5）记录指定时间的温度，绘制温度分布曲线。1、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算。ANSYS软件采用有限元方法进行稳态、瞬态热分析，计算各种热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括：对流，辐

3、射，热流率，热流密度（单位面积热流），热生成率（单位体积热流），固定温度的边界条件。采用ANSYS软件进行热过程分析可以用菜单交互操作和编程两种方式。本次实验采用编程方法，分两部分：必做（2学时）：主要以程序调试为主，掌握基本方法。选做（2学时）：由学生自行选择讨论的问题和拟定实验的内容和方案，将重点放在解析解与数值解的比较、数值解的精度、参数影响因素等内容的探讨。（1）使用文本文件编辑器编写程序（2）以.mac为扩展名存盘（1）运行Ansys软件(4)设置文件夹到程序所在文件夹（2）运行程序（1）使用Genera

4、lPostproc/ReadResults读取指定时间的数据（2）使用GeneralPostproc/PlotResults绘制温度场云图(7)使用TimeHistPostproc/VariableViewer绘制指定点的热循环曲线，获取热循环曲线数据。(8)研究数值仿真的精度模型尺寸对精度的影响（提示：改变程序中a值）改变网格密度对计算精度的影响（提示：改变程序中an、bn值）如何验证和改善数值计算的精度？(9)探讨影响焊接温度场和焊接热循环的因素及焊接工艺参数的影响。自行拟定研究方案，获取分析讨论所需的数据和依

5、据焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理？有限元数值解与解析解的比较（提示：选择若干个时间的数据比较）预热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：改变程序中工件初始温度）焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：增加对流传热条件）当材料性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：材料特性数据随温度变化）一、实验报告1、实验目的2、实验内容3、实验步骤4、实验结果与讨论温度场分布、变化规律热循环曲线及特点为何将模型分为网格尺寸不同的两个区改变网格密度对计算精度的影响模型尺寸对精度的影响，如何

6、确定和改善数值计算的精度有限元数值解与解析解的比较焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理预热对焊接温度场、热循环曲线的影响焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响当材料性能不为常数对焊接温度场、热循环曲线的影响焊接工艺参数变化，对焊接温度场和热循环曲线的影响。5、实验体会实验二　园环镦粗法测定摩擦系数一、实验目的利用园环铝试件的镦粗要求掌握以下三个基本原理：（1）根据园环镦粗后的变形，了解摩擦对金属流动的影响；（2）掌握绘制摩擦系数的理论曲线的方法；（3）通过实验学会测定摩擦系数的方法。二、实验原理环形试件

7、在平行平板间镦粗时，由于接触面摩擦状态的不同，其变形情况也不同。当摩擦系数很小时变形后园环内外径都扩大。（图1-a）当摩擦系数超过某一临界值时，在园环中就出现一个半径为Rn的分流面。该面以外金属向外流动，该面以内的金属向中心流动，结果使园环外径增大，内径缩小。（图1）。由能量法和应力分析法可以求分流面半径Rn，摩擦因数m与园环尺寸间的理论关系。（摩擦因数m与摩擦系数μ的关系可取即近似认为接触面上剪应力为常数，当m=1时，μ=0.57，故。符合米塞斯屈服条件）。由园环的原始尺寸R0，R1，H，利用值不变的假设，利用下

8、式可求出求摩擦因子的临界值（即Rn=R1时的值），  　　　　(a)当m≦m0值即Rn≦R1时，按下式求中性层半径Rn式中：当m>m0计算值。即R1