计算机模拟技术材料加工作业

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1、中北大学材料加工计算机模拟与应用ANSYS有限元法在焊接温度场分析中的硕士研究生刘航学S1403063流水20140311班级丫40301学科专业材料工程2015年06月26日焊件中的温度场分布反映了复杂的焊接热过程，它不仅直接通过热应力、热应变，而且还间接通过随金属状态和显微组织变化引起的相变、应变，决定焊缝熔化、结晶、变形、应力等状况。所以焊接质量与温度场的分布有很大的关系，焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算，以及焊接质量控制的前提［11，以往对焊接温度场分析大多是通过试验的方法测量并进行定量分析。由于受试验条件等方而的限制，所得数据的精确度并不高。目前

2、，数值模拟技术已遍及焊接学科的各个领域。有限元法是伴随着计算机技术和数值分析方法发展起来的结构分析方法，它已广泛地应用于焊接热传导、热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等

3、21。ANSYS软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件，其强大的热结构耦合及瞬态、非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔的应用前景［3］。1ANSYS温度场模拟主要步骤(1)前处理包括定义单元类型、输入材料热物理属性、创建几何实体模型、设置网格单元尺T、生成有限元模型。(2)施加载荷和求解括定义分析类型、设定载荷步选项、设置边界条件、求解运算。(3)后处理ANSYS提供2种后处理方式：通

4、用后处理(P0ST1)，可以对模型的某一时刻的结果列表或图形显示；时间-历程后处理(P0ST26),可以列表或图形显示模型中某一点随吋间的变化结果l4j。2ANSYS在焊接热模拟过程中建模需注意的几个问题2.1材料热物理性能参数金属材料的物理性能参数如比热容、热导率、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料你你物理性能参数的平均值进行计算。但焊接过程屮，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件温度变化剧烈，如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，那么计算结果一定会有很大的偏差。所以在焊接温度场的模拟计算中，一定要给定材料的各项物理性能参数随温度

5、的变化值。但是，许多材料的物理性能参数在高温、特别是接近熔化状态时还是无法获取，某些材料仅有室温数据，而高温性能参数对焊接过程的模拟结果和计算过程均有较大影响，这会给模拟计算带来很大的网难。当然，通过试验和线性插值的方法可获得高温时的一些数据，但有时处理不当，就会导致计算结果不收敛或不准确f51。2.2网格划分有限元方法求解思想是把计算区域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解［61。在焊接过程中，热量是从一

6、个单元的公共边界传递到下一个单元，我们用相应的节点上的热量代替作用在单元上的热量。因为焊接温度的变化梯度相当大，理论上，在划分网络吋需要将接近热源点的段落即网格划分的更为细密。侶事实上，这种最优的网格划分方法会加大计算机的计算量，为节约计算时间一般划分为均匀的网格。2.3热源分布函数选用对于通常的焊接方法如手工电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。对于电弧冲力效应较人的焊接方法，如熔化极氩弧焊和激光焊接，常釆用双椭球形热源分布函数。为求准确还可将热源分成2部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。3结语通过

7、ANSYS对焊接温度场的模拟，可以得到低成本、高效率优化的产品设计方案，本文分别对ANSYS在焊接温度场模拟中热源理论基础、热源和边界条件的选择、温度场模拟步骤，以及热循环模拟结果分析做了相应介绍，侃对焊接温度场研宄还远远不够，还需要进一步对以下儿个方面进行研宄：(1)进一步对材料性能参数，物理模型的优化、网格划分，以及对焊接影响因素、焊接缺陷等进行更深入的研宄与探索。(2)完善热源模型建立与选择以及和实际热源的拟合程度，热源移动路径的准确定义，边界条件是否设置恰当等。(3)对大型的、特殊的构件的ANSYS模拟还需要在模型的优化、网格划分和自适应技术等方面进行深入的二次开发。参

8、考文献U1陈作炳，范涛，曾芳，等.对接接头焊接温度场的三维数值模拟[J].机械设计与制造，2007,(4)：104-106.[2]梁晓燕，罗金华，杜汉斌，等.基于ANSYS平台焊接模拟中不同热源的比较[J].电焊机，2003,33(1)：29-32.[3]朱援祥，王勤，赵学荣，等.基于ANSYS平台的焊接残余应力的模拟[•!].武汉理工大学学报，2004，26(2)：69-72.[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2000[5]余淑荣，