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

实验项目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部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，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；焊接接头的应力场则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）基本原理和方法

1）基本原理：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：根据作用力等效原则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“Filename.txt”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

EX GPa

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

松

P

X

比

钢30 206 1.40 20.6 49.8

1.10×10-5465 7840 200 192 1.33 19.8 44.8

400 175 1.15 18.3 39.4

600 153 0.92 15.6 34.0

800 125 0.68 11.2 29.0

铜30 103 0.9 10.3 399

1.66×10-5386 8930 200 99 0.85 9.8 389

400 90 0.75 8.9 379

600 79 0.62 7.5 366

800 58 0.45 5.2 352

铁30 118 1.04 11.8 80.5

1.18×10-5455 7870 200 109 1.01 10.2 63.5

400 93 0.91 8.6 50.3

600 75 0.76 6.9 39.4

800 52 0.56 5.1 29.6

第二部分：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plane13

keyopt,1,1,4 !

keyopt,1,3,1

mp,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,200

tbdata,1,1.33e9,1.98e10

tbtemp,400

tbdata,1,1.15e9,1.83e10

tbtemp,600

tbdata,1,0.92e9,1.56e10

tbtemp,800

tbdata,1,0.68e9,1.12e10

mp,alpx,2,1.66e-5 !输入铜的线膨胀系数

mp,dens,2,8930