焊接数值模拟

哈尔滨工业大学
《材料加工过程数值模拟基础》实验课程
25号钢平板对接焊温度场数值模拟
实验报告
姓名：王保全
学号：14SD09004
班级：焊接一班
材料科学与工程学院
ANSYS及其应用
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁热场等科学的研究。

在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。

ANSYS的功能
ANSYS的功能如下：
①建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD模型。

②应用施加载荷或者其他设计条件。

③研究模型的物理相应，如应力水平、温度分布或者电磁场等。

④对产品进行优化设计，以降低产品的费用。

⑤做数值模拟实验。

ANSYS包括100多个单元，提供了对各种物理场的分析功能，可以将其应用于如下学科：结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）、流体静力学和动力学分析（FLOTRAN）、电磁场分析、声学分析、压电分析、多长耦合分析、设计灵敏度及优化分析。

ANSYS的设计优化功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量，如形状、应力、自然频率、质量、费用、温度、次势、压力、速度或离散量等，可进行参数、形状、拓扑优化。

ANSYS的特点
ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：
①能实现多场及多场耦合分析。

用户不但可用其进行诸如结构、热、流体
流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些问题的相互影响研究。

例如：热-结构耦合，磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合等。

②实现前后处理、求解和多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。

③具有多物理场优化功能的FEA软件。

④强大的并行计算功能支持分布式并行和共享内存式并行。

⑤多种自动网格划分技术。

⑥良好的用户开发环境。

ANAYS综合应用菜单、对话框、工具条、命令并行
输入、图形化输出等多种方式，从而使应用更加方便。

⑦方便的二次开发功能。

应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户
自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发个性化的应用程序。

ANSYS的结构
ANSYS主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构建有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦
和分析，可模拟多种物理介质的的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

ANSYS有限元分析
下面以平板对接焊的温度场分析为例详细解析ANSYS有限元分析。

焊接材料为25号钢，平板尺寸为120mm×60mm×6mm，施加热源为高斯热源，热源的有效半径为6mm。

焊接工艺参数如表1所示。

表1焊接工艺参数
各种有限元软件都是由前处理、计算过程和后处理三个模块组成，但具体到每个软件其具体界面以及操作方式并不一样。

下面详细解析利用ANSYS分析该问题的操作过程。

（1）定义分析路径
点击ANSYS Product Launcher，如图1所示。

在Simulation Environment 中选ANSYS，在License中选ANSYS Multiphysics，定义ANSYS的分析环境。

然后定义工作目录，在Working Directory中通过点击Browse定义分析，然后定义文件名，可在Job Name中更改文件名，本例中选用file为文件名。

然后点击run进行分析。

图1定义分析路径
（2）设定标题
从实菜单选择File | Change title命令，将弹出Change title对话框，在enter new title中输入标题，点击OK按钮完成标题的定义，如图2所示。

图2定义标题
（3）选择菜单过滤参数
从主菜单中选择Preference命令，将弹出Preference for GUI Filtering （菜单过滤参数选择）对话框，如图3所示。

选中Thermal复选框，点击OK按钮确定。

图3菜单过滤参数选择
（4）定义单元类型
进行有限元分析时，首先应根据问题的几何结构、分析类型和所分析问题的精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。

本例中选用热分析单元类型SOLID70，为了划分网格的需要还选用单元类型Mesh200。

Mesh200单元类型划分网格生成的单元和节点在求解中是无效的，即不会对这些单元和节点求解。

从主菜单中选择preprocessor|element type|add/edit/delete,将弹出element type（单元类型）对话框。

点击add按钮，将弹出Library of element type（单元类型库）对话框，如图4所示。

然后在左边的列表中选择Solid选项，选择实体单元类型。

在右边的列表中选择Brick 8node 70选项，选择把节点实体单元类型Solid70。

Element type reference number输入1，即定义单元类型号为1。

图4单元类型对话框
点击OK按钮，将Solid70单元添加，如图5所示。

然后再点击Add按钮添加Mesh200单元类型。

再次进入单元类型库，如图6所示。

图5单元类型图6定义Mesh200单元类型
在左边的列表中选择Not Solved，在右边的列表中选择Mesh200单元类型。

点击OK按钮进入单元类型对话框，如图7所示。

选择Mesh200单元类型，点击Options按钮，进入MESH200 element type options，如图8所示。

在Elenment shape and # of node K1中选择QUAD4-NODE,即定义Mesh200为平面四节点单元类型，点击OK即可。

返回Element Type对话框，然后点击Close按钮，关闭单元类型对话框。

图7单元类型图8定义Mesh200单元类型
（5）定义单位
在本例的有限元分析工程中，分析过程中选用国际单位制，点击主菜单Preprocessor|Materials props|Select units，弹出对话框，如图9所示，选择SI(MKS),定义国际单位制，然后点击OK按钮确定。

定义角度单位为度，点击菜单Parameters|Angular units，弹出对话框，如图10所示，选择角度单元Degree DEG,然后点击OK按钮，完成对单位的定义。

图9定义国际单位图10定义角度单位
（6）定义材料参数
从主菜单中选则Preprocessor|Material props|Materialmodels命令，将弹出Define Material Model Behavior（定义材料模型）属性窗口，如图11所示。

图11定义材料模型属性窗口
依次双击Thernal |Conductivity |Isotropic，展开材料属性的树形结构，将弹出材料热传导定义对话框。

因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature按钮，增加不同温度下的热传导数值，如图12所示。

在KXX文本框中输入不同温度下的热传导参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。

图12各项同性材料的热传导定义
依次双击Thermal |Specific heat，展开材料属性的树形结构，将弹出材料比热定义对话框。

因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature按钮，增加不同温度下的热传导数值，如图13所示。

在C文本框中输入不同温度下的比热参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。

依次双击Thermal |Density，展开材料属性的树形结构，将弹出材料密度定义对话框。

因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature 按钮，增加不同温度下的密度数值，如图14所示。

在DENS文本框中输入不同温度下的密度参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。

图13各向同性材料的比热定义
图14各向同性材料的密度定义
在Define Material Model Behavior窗口中，从菜单中选择Material|Exit 命令，或者单击窗口右上角的X按钮，完成材料模型的定义。

（7）建立实体模型
在建立模型的过程中，应考虑到后面的有限元网格划分。

而且在焊接模拟中，焊缝及其附近的网格采用较密的网格划分，而离焊缝较远的位置采用较疏的网格。

首先定义模型的标量参数。

单击菜单Parameter|Scalar Parameter,在Selction中输入LENGTH=0.12，点击Acecept按钮，完成对长度参数的定义。

然后依次输入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,如图15所示。

最后点击Close按钮，完成对各个参数的定义。

建立模型，点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|By dimension，弹出创建实体对话框，在其中输入各个尺寸参数，如图16所示，建立模型如图17所示。

点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|By dimension建立两个过渡实体，如图18所示，命令流为：
block,0,2*rb,3*rb,5*rb,0,-height
block,2*rb,4*rb,3*rb,5*rb,0,-height
图15定义标量参数
图16定义实体对话框
图17有限元模型
图18有限元过渡实体模型图19有限元网格划分模型
指定各个过渡实体的线的网格划分。

然后通过APDL语言声称其他的实体，如图19所示。

命令如下：
vsel,s,,,2,3 !!!!此实体为所建立的过渡实体
cm,vl,volu
allsel,all
*do,i,1,14,1
vgen,2,v1,,,i*4*rb,,,,1,0,
*enddo
依照上面的方法，建立随后的实体模型，如图20所示。

点击主菜单Preprocessor|Numbering ctrls| Merge items，弹出关键点压缩菜单，在Label 选择关键点，然后点击OK按钮完成压缩，如图21所示。

图20实体模型图21关键点压缩
点击Moddeling|Booleans|Glue|Volumes，弹出Glue Volumes对话框，如图22所示，点击Pick all，对所建立的模型进行布尔运算，即把所有的模型粘在一起。

（8）网格划分
对焊缝实体进行网格划分，首先选择焊缝区域的实体，点击实菜单
Select|Entities，选择实体Volumes-By location-Y coordinate，分别在最小值、最大值文本框中输入最大值和最小值——0,3*rb，点击OK按钮完成对实体的选择，如图23所示。

图22体的布尔运算图23选择实体
然后对实体进行网格划分。

随后对过渡单元进行网格划分。

依次对其他的实体进行网格划分，最后实体的网格划分的情况如图24所示。

图24模型的网格划分
（9）有限元求解
点击主菜单Solution|Analysis type|New analysis，弹出分析类型对话框，如图25所示。

选择Transistent复选框，点击OK按钮，弹出瞬态分析对话框，如图26所示，点击OK即可。

打开自动时间步长，点击Solution|Load step
opts|Time/frequent|Time-time step，弹出对话框，如图27所示，在AUTOTS 中选择ON,然后点击OK按钮。

定义热源函数，点击菜单Parameter|Function|Define/Edit，弹出Function Editor对话框，如图28所示。

在Result文本框中输入高斯热源的函数表达式，然后点击File|Save保存文件。

随后点击Parameter|Functions|Read from file，选取刚刚命名的函数表达式。

在Table parameter name中命名arc，在Constant Values中输入各个参数，点击OK按钮，完成函数的定义。

图25分析类型
图26瞬态分析选项
图27自动时间步长
图28焊接编辑器
施加对流换热系数。

点击
Solution|Defineloads|Apply|Thermal|Convection|On nodes,弹出施加热流对话框，如图29所示。

在VALI文本框中输入10，在VAL2I文本框中输入20。

在除对称面外的平面上施加对流换热系数，如图30所示。

图29施加热流对话框
图30施加对流换热系数
施加热源函数，采用APDL语言。

程序如下：*do,i,1,60,1
x_center=i*rb
y_center=0
arc(5,0,1)=x_center
arc(6,0,1)=y_center
local,11,0,i*rb,0,0,,,,,,
n sel,s,loc,x,-r,r
n sel,r,loc,y,0,r
n sel,r,loc,z,0
sfdele,all,con v
sf,all,hflux,%arc%
csys,0
allsel,all
t=t+tin c
time,t
deltim,0.05,0.05,0.1
autots,on
kbc,0
outres,n sol,last
solve
allsel,all
local,11,0,i*rb,0,0,,,,,,
n sel,s,loc,x,-r,r
n sel,r,loc,y,0,r
n sel,r,loc,z,0
sfdele,all,hflux
sfdele,all,con v,10,20
allsel,all
*enddo
（10）后处理
热源最高温度为2490℃。

图31所示为焊接冷却后的温度场分布情况
图31焊接冷却后的温度场分布。