有限元在材料科学与工程中的应用剖析.docx

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有限元在材料科学与工程中的应用剖析

实例2---焊缝的残余应力及温度场分析

本实例说明瞬态热结构耦合问题及死活单元的运用，其命令流方式给出了多级焊缝模式（完全模拟焊接这一连续的过程，但不考虑结构分析的瞬态效应，而只考虑热分析的瞬态效应），GUI操作方式给出了两级焊缝模式（操作上两级焊缝与多级焊缝本质一致。

均利用载荷步和死活单元）。

该实例的难度稍大，建议读者要在对ANSYS求解热结构耦合问题以及非线性问题（主要指塑性问题）有一定的了解之后学习；否则很难真正弄明白。

7.6.1问题描述

如图7-85所示为焊缝的剖面示意图，用铝焊将钢和铜接在一起，求在焊接后的焊接残余应力以及在焊接过程中的温度变化。

假定没有对流和辐射，结构左面固定约束，左右两边界均给定20℃的温度约束。

从左至右的材料了依次是钢、铝和铜。

其中钢和铜的初始温度是环境温度20℃，铝是1500℃。

图7-85焊缝模型简图

各种材料的属性见表7-4

材料

摄氏温度℃

弹性模量Pa

屈服强度Pa

切变模量Pa

材料密度kg/m3

泊淞比

传热系数W/（m℃）

线胀系数1/℃

比热容J/（kg℃）

钢

20

1.93e11

1.2e9

1.93e10

8030

0.29

16.3

1.78e-5

502

500

1.5e11

0.933e9

1.5e10

1000

0.7e11

0.435e9

0.7e10

1500

0.1e11

0.07e9

0.1e10

2000

0.01e11

0.007e9

0.01e10

铜

20

1.17e11

0.9e9

1.17e10

8900

0.3

393

1.66e-5

385

500

0.9e11

0.7e9

0.9e10

1000

0.3e11

0.23e9

0.3e10

1500

0.05e11

0.04e9

0.05e10

2000

0.005

e11

0.004e9

0.005e10

铝

20

1.02e11

0.8e9

1.02e10

4850

0.3

7.44

9.36e-6

544

500

0.5e11

0.4e9

0.5e10

1000

0.08e11

0.07e9

0.08e10

1500

0.001e11

0.001e9

0.001e10

2000

0.0001e11

0.0001e9

0.0001e10

7.6.2GUI操作方式

1、定义工作文件名及工作标题

（1）定义工作文件名：

执行UtilityMenu/File/ChangeJobname对话框中输入文件名Weld,单击OK按钮。

（2）定义工作标题：

执行UtilityMenu/File/ChangeTitle对话框中输入文件名Weld,单击OK按钮。

（3）关闭坐标符号显示：

执行UtilityMenu/Plotctrls/WindowControls/WindowOptions命令，弹出WindowOptions对话框。

在Locationoftriad下拉列表框中选择NOShown选项,单击OK按钮。

2、定义单元类型及材料属性

（1）定义单元类型：

执行MainMenu/Preprocessor/ElementType/Add/Edit/Delete命令，弹出ElementTypes对话框。

单击Add按钮，弹出LibraryofElementTypes对话框，如图7-86所示。

在左右列表框中分别选择CoupledField和VectorQuad13选项，单击OK按钮。

图7-86LibraryofElementTypes对话框

（2）设置单元选项：

单击ElementTypes对话框的Options按钮，弹出PLANE13elementtypeoptions对话框，如图7-87所示。

在K1和K3下拉列表框中分别选择UXUYTEMPAZ及Planestrain选项，单击OK按钮，单击Close按钮。

图7-87PLANE13elementtypeoptions对话框

（3）定义材料的弹性模量：

执行MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels命令，弹出DefineMaterialModelBehavior窗口。

双击MaterialModelAvailable列表框中的Structural/Linear/Elastic/Isotropic选项，弹出如图7-88所示的LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框，连续单击4次AddTemperature按钮，生成表格。

在Temperature文本框中分别输入20，500，1000，1500，2000，在EX文本框中分别输入钢材在各温度时刻对应的弹性模量，在PRXY文本框中输入对应的泊淞比。

单击Graph按钮，显示钢材弹性模量随温度的变化曲线，如图7-89所示。

图7-88LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1对话框

图7-89钢材弹性模量随温度的变化曲线

（4）设置材料的线胀系数：

执行MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels命令，弹出DefineMaterialModelsBehavior窗口。

双击MaterialModelsBehavior列表框中的Structural\ThermalExpansion\secantcoefficient\Isotropic选项，弹出如图7-90所示的对话框。

在Referencetemperature文本框中输入20，连续4次单击Addtemperature按钮，生成表格。

在Temperature文本框中输入20，500，1000，1500，2000。

在ALPX文本框中依次输入1.78E-005,单击OK按钮。

图7-90ThermalExpansionCoefforMaterialNumber1对话框

（5）定义材料的密度：

双击Structural\Density选项，弹出如图7-91所示的DensityforMaterialNumber1对话框，连续4次单击AddTemperature,生成表格。

在Temperature文本框中输入20，500，1000，1500，2000，在DENS文本框中依次输入8030，单击OK按钮。

图7-91DensityforMaterialNumber1对话框

（6）定义双线性材料属性：

双击Structural\Nonlinear\Inelastic\RateIndependent\IsotropicHardeningPlasticity\MisesPlasticity\Bilinear选项，弹出如图7-92的对话框，连续5次单击AddTemperature,生成表格。

在Temperature文本框中输入5个温度值，在YieldStss文本框中输入钢材对应于5个温度值的屈服强度，在TangMod文本框中输入刚才对应于5个温度值的切变模量。

单击Graph按钮

显示屈服强度（切变模量）与温度的关系图。

，单击OK按钮。

图7-92BilinearKinematicHardeningforMaterialNumber1对话框

（7）定义钢的热传导率：

双击Therrmal\Conductivity\Isotropic选项，弹出ConductivityforMaterialNumber1对话框，如图7-93所示，连续4次单击AddTemperature按钮，在Temperature文本呢框中输入20，500，1000，1500，2000，在KXX文本框中输入16.3，单击OK按钮。

图7-93ConductivityforMaterialNumber1对话框

（8）定义钢的比热容：

双击Therrmal\SpecificHeat选项，弹出SpecificHeatforMaterialNumber1对话框，如图7-94所示连续单击AddTemperature按钮，在Temperature文本呢框中输入20，5000，1000，1500，2000.在C文本框中均输入502，单击OK按钮。

图7-94SpecificHeatforMaterialNumber1对话框

（9）定义磁常数：

双击Electromagnetic\RelativePermeability\Constant选项，弹出对话框，连续单击4次AddTemperature按钮，如图7-95所示。

在Temperature文本框中输入20，500，1000，1500，2000，在MURX文本框中均输入1，单击OK按钮。

图7-95PermeabilityforMaterialNumber1对话框

（10）定义第二种材料属性：

执行Material\NewModel命令，弹出DefineMaterialID对话框，如图7-96所示，输入2，单击OK按钮。

重复步骤（3）----（9）可以定义地二种新材料（铝）的性质，然后定义第三种材料（铜）的性质，执行Material\Exit命令。

图7-96forMaterialNumber1对话框

3、生成有限元模型

（1）建立60度的圆弧面：

执行MainMenu\preprocessor\Modeling\Create\Areas\Circle\ByDimensions命令，弹出如图7-97的对话框。

在RAD1,THETA1,THETA2文本框中分别输入0.5、90-30及90+30，单击按钮。

图7-97CircluarAreaByDimensions

（2）建立矩形面：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Create\Areas\Rectangle\ByDimensions命令，弹出如图7-98的对话框。

在X-coordinates文本框中输入-0.5，0.5，在Y-coordinates文本框中输入0，0.26，单击OK按钮。

图7-98CreateRectanglebyDimensions

（3）打开面编号显示：

执行UtilityMenu\Plotctrls\Numbering命令，弹出PlotNumberingControls对话框，如图7-99所示。

选择Areanumbers复选框，单击OK按钮结果如图7-100所示。

图7-99PlotNumberingControls对话框

图7-100矩形面与圆面的结果

（4）面叠分操作：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Operate\Booleans\Overlap\Areas命令，弹出拾取框。

单击PickAll按钮，结果如图7-101所示。

图7-101面叠分操作后的生成结果

（5）删除多余的面：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Delete\AreaandBelow命令，弹出拾取框。

拾取A4,单击OK按钮，结果如图7-102。

图7-102删除结果

（6）测量圆弧半径：

UtilityMenu\List\PickedEntities命令，弹出ModelQuery工具栏，如图7-103所示。

在QueryItem和OnEntities下拉列表框中分别选择Lengths及Lines，拾取L8（L9），单击OK按钮弹出提示窗口，如图7-104所示。

图7-103ModelQuery工具栏

图7-104提示窗口

（7）拾取关键点：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Create\Keypoints\InActiveCs命令，弹出CreateKeypointsinActiveCoordinatesystem对话框，如图7-105所示。

在Keypointsnumber文本框中输入10，在LocationInActiveCs文本呢框中输入0，0.300222（即刚才得到的线段长度），单击OK按钮。

图7-105CreateKeypointsinActiveCoordinatesystem对话框

（8）建立圆弧：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Create\Lines\Arcs\Through3Kps命令，弹出拾取框。

拾取编号为8，9，10的关键点，单击OK按钮，结果如图7-106所示。

图7-106生成的圆弧

（9）生成面：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Create\Areas\Arbitrary\ByLines命令，弹出拾取框。

拾取L1,L10,单击OK按钮，结果如图7-107所示。

图7-107新生成的面显示

（10）面相加操作：

执行MainMenu\Preprocessor\Modeling\Operate\Booleans\Add\Areas命令，弹出拾取框。

拾取A1,A3,单击OK按钮，结果如图7-108所示。

图7-108面相加生成后的结果

（11）保存结果数据：

单击ANSYSToolbar中的SAVE-DB按钮。

（12）设置单元属性：

执行MainMenu\Preprocessor\Meshing\MeshAttributes\PickedAreas命令，在MAT下拉列表框中选择1,单击Apply按钮。

拾取编号为A2的，面单击OK按钮弹出AreaAttributes对话框。

在MAT下拉列表框中选择2，单击Apply按钮，拾取编号为A5的面，在下拉列表框中选择3，单击OK按钮。

图7-109AreaAttributes对话框

（13）设置焊缝单元尺寸：

执行MainMenu\Preprocessor\Meshing\SizeCntls\Manual\Size\Lines\PickedLines命令，弹出拾取框。

拾取L1,L8和L9，单击OK按钮，弹出如图7-110所示的ElementSizesonPikedLines对话框。

在Nooflinestocreate文本框中输入10，清楚KYNDIVSIZE,NDIVcanbechanged复选框，单击Apply按钮。

图7-110ElementSizesonPikedLines对话框

（14）设置非焊缝处顶部直线单元尺寸：

拾取L16和L14，单击OK按钮，弹出ElementSizesonPikedLines对话框。

在Nooflinestocreate文本框中输入10，SPACE文本框中输入0.5清除KYNDIVSIZE,NDIVcanbechanged复选框，单击Apply按钮。

（15）设置非焊缝处底部直线单元尺寸：

拾取L15和L13，单击OK按钮，弹出ElementSizesonPikedLines对话框。

在Nooflinestocreate文本框中输入10，SPACE文本框中输入2，清除KYNDIVSIZE,NDIVcanbechanged复选框，单击Apply按钮。

（16）划分单元：

执行MainMenu\Preprocessor\Meshing\Mesh\Areas\Mapped\3or4sided命令，弹出拾取框。

单击PickAll按钮，单击OK按钮，结果如图7-111所示。

图7-111网格划分结果

（17）保存单元结果：

单击ANSYSToolbar中的SAVE-DB按钮。

4、设置求解选项、施加约束并求解

（1）设置分析类型和求解方法：

执行MainMenu\Solution\AnalysisType\NewAnalysis命令，弹出NewAnalysis对话框，如图7-112所示。

选择Transient单选按钮，单击OK，弹出TransientAnalysis对话框，如图7-113所示。

选择Full单选按钮，单击OK按钮。

图7-112NewAnalysis对话框

图7-113TransientAnalysis对话框

图7-114SelectEnties工具栏

（2）选择左边节点：

执行UtilityMenu\SelectEnties工具栏，如图7-114所示。

在上面两个下拉列表框中选择Nodes和ByLocation选项，选择Xcoordinate和FromFull单选按钮，在Min,Max文本框中输入-0.5，单击OK按钮。

（3）施加位移约束：

执行MainMenu\Solution\DefineLoads\Apply\Structural\Displacement\OnNodes命令，弹出拾取框。

单击Pickall按钮，弹出ApplyU,ROTonNodes对话框，如图7-115所示。

在DOFstobecontrained列表框中选择UX和UY选项，单击OK按钮。

同样的方法选择右界的节点施加X方向的约束。

图7-115ApplyU,ROTonNodes对话框

（4）选择左右两边的节点：

执行UtilityMenu\Select\Entities命令，弹出如图SelectEntities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Nodes和Bylocation选项，选择Xcoordinate和AlsoSelcet单选按钮，在Min,Max文本框中输入0.5，单击OK按钮。

（5）施加温度约束：

执行MainMenu\Solution\DefineLoads\Apply\Thermal\Temperature\OnNodes命令，弹出拾取框。

单击Pickall按钮，弹出ApplyTEMPonNodes对话框，如图7-116所示。

在DOFstobecontrained列表框中选择TEMP选项，在LoadTEMPvalue文本框中输入20，单击OK按钮。

图7-116ApplyTEMPonNodes对话框

（6）选择所有实体：

执行UtilityMenu\Select\Everything命令。

（7）显示单元：

UtilityMenu\PlotElements命令，结果如图7-117所示。

图7-117施加约束后的模型

（8）保存设置：

单击ANSYSToolbar中的SAVE-DB按钮。

5、设置7个载荷步（分两级焊缝焊接）

（1）设置输出选项：

执行MainMenu\Solution\LoadStepOpts\OutputCtrls\DB\ResultsFile命令，弹出如图7-118所示的ControlsforDatabaseandResultsFileWriting对话框。

选择Everysubstep单选按钮，单击OK按钮。

图7-118ControlsforDatabaseandResultsFileWriting对话框

（2）施加初始温度值（20℃）：

执行MainMenu\Solution\DefineLoads\Apply\InitialCondit,n\Define命令，弹出拾取框。

单击PickAll按钮，弹出DefineInitialConditions对话框，如图7-119所示。

在DOFtobespecified列表框中选择TEMP选项，在LoadTEMPvalue文本框中输入20，单击OK按钮。

图7-119DefineInitialConditions对话框

（3）设置时间积分控制：

执行MainMenu\Solution\LoadStepOpts\Time/Frequency\TimeIntegration\AmplitudeDecay命令，弹出TimeIntegrationcontrols对话框，如图7-120所示。

清除ForstructuralDOFs和FormagneticDOFs复选框，选择ForthermalDOFs复选框，在GAMMA\THETA\OSLM和TOL文本呢框中分别输入0.005、1、0.5、和0.2，单击OK按钮。

图7-120TimeIntegrationcontrols对话框

（4）杀死焊缝上半部单元：

执行MainMenu\Solution\LoadStepOpts\Other

\Birth&Death\KillElements命令，谈粗话拾取框。

选择要杀死的单元，单击OK按钮，杀死单元后的生成结果如图7-121所示。

图7-121杀死单元后的生成结果

（5）选择激活的单元：

执行UtilityMenu\Select\Entities命令，弹出SelectEntities工具栏，如图7-122所示。

在上面两个下拉列表框中分别选择Elements和LiveElem’s选项，选择FromFull单选按钮。

图7-122SelectEntities工具栏

（6）显示激活的单元：

执行UtilityMenu\Plot\Entities命令，结果如图7-123所示。

图7-123第一个载荷步激活的单元

（7）选择焊缝处激活的单元：

打开SelectEntities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Elements和ByAttributes选项，选择MaterialNum和Reselect单选按钮，在Min,Max,Inc文本框中输入2，单击OK按钮。

（8）选择焊缝处激活的节点：

打开SelectEntities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Nodes和Attachedto选项，选择Elements和FromFull单选按钮，单击OK按钮。

说明

下面为选择的节点施加温度约束，但并不是实际的约束，而是为得到初始温度场分布而附加的。

在得到初始温度场分布之后，必须删除这些约束。

（9）施加温度约束：

执行MainMenu\Solution\DefineloadOpts\Apply\Thermal\Temperature\OnNodes命令，弹出拾取框。

单击PickAll按钮，弹出ApplyTEMPonNodes对话框，如图7-124所示。

在DOFstobecontrained列表框中选择TEMP选项，在LoadTEMPvalue文本框中输入1500，单击OK按钮。

图7-124ApplyTEMPonNodes对话框

（10）选择所有实体：

执行Uti