有限元在材料科学与工程中的应用剖析.docx

1、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

2、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201.93e111.2e91.93e1080300.2916.31.78e-55025001.5e110.933e91.5e1010000.7e110.435e90.7e1015000.1e110.07e90.1e1020000.01e110.007e90.01e10铜201.

3、17e110.9e91.17e1089000.33931.66e-53855000.9 e110.7e90.9 e1010000.3 e110.23e90.3 e1015000.05e110.04e90.05 e1020000.005e110.004e90.005 e10铝201.02e110.8e91.02e1048500.37.449.36e-65445000.5e110.4e90.5e1010000.08e110.07 e90.08e1015000.001e110.001 e90.001e1020000.0001e110.0001 e90.0001e107.6.2GUI操作方式1、定义工

4、作文件名及工作标题（1） 定义工作文件名：执行Utility Menu /File /Change Jobname对话框中输入文件名Weld,单击OK按钮。（2）定义工作标题：执行Utility Menu /File /Change Title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Utility Menu /Plotctrls/ Window Controls/Window Options命令，弹出Window Options对话框。在Location of triad 下拉列表框中选择NO Shown选项,单击OK按钮。2、定义单元类型及材料属性（1）定义单元

5、类型：执行Main Menu/Preprocessor/ Element Type/ Add/Edit/Delete命令，弹出Element Types 对话框。单击Add按钮，弹出Library of Element Types 对话框，如图7-86所示。在左右列表框中分别选择Coupled Field和Vector Quad 13选项，单击OK按钮。图7-86 Library of Element Types 对话框（2）设置单元选项：单击Element Types 对话框的Options按钮，弹出PLANE13 element type options对话框，如图7-87所示。在K1和K

6、3下拉列表框中分别选择UX UY TEMP AZ 及Plane strain 选项，单击OK按钮，单击Close按钮。图7-87 PLANE13 element type options对话框（3）定义材料的弹性模量：执行Main Menu /Preprocessor /Material Props / Material Models 命令，弹出Define Material Model Behavior窗口。双击Material Model Available 列表框中的Structural/ Linear / Elastic / Isotropic选项，弹出如图7-88所示的Linear

7、Isotropic Properties for Material Number 1对话框，连续单击4次Add Temperature 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7-88 Linear Isotropic Properties for Material Number 1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Main Men

8、u /Preprocessor /Material Props / Material Models 命令，弹出Define Material Models Behavior窗口。双击Material Models Behavior列表框中的Structural Thermal Expansion secant coefficient Isotropic选项，弹出如图7-90所示的对话框。在Reference temperature文本框中输入20，连续4次单击Add temperature 按钮，生成表格。在Temperature文本框中输入20，500，1000，1500，2000。在ALP

9、X文本框中依次输入1.78E-005,单击OK按钮。图7-90 Thermal Expansion Coef for Material Number 1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Density for Material Number1 对话框，连续4次单击Add Temperature,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7-91 Density for Material Number1 对话框（6）定义双线性材料属性

10、：双击Structural Nonlinear Inelastic Rate Independent Isotropic Hardening PlasticityMises Plasticity Bilinear 选项，弹出如图7-92的对话框，连续5次单击Add Temperature ,生成表格。在Temperature文本框中输入5个温度值，在Yield Stss文本框中输入钢材对应于5个温度值的屈服强度，在Tang Mod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7-92 Bilinear Kinematic

11、 Hardening for Material Number1 对话框 （7）定义钢的热传导率：双击Therrmal Conductivity Isotropic 选项，弹出Conductivity for Material Number 1对话框，如图7-93所示，连续4次单击Add Temperature 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7-93 Conductivity for Material Number1 对话框（8）定义钢的比热容：双击Therrmal Specific Hea

12、t 选项，弹出Specific Heat for Material Number 1对话框，如图7-94所示连续单击Add Temperature 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 7-94 Specific Heat for Material Number 1对话框（9）定义磁常数：双击Electromagnetic Relative Permeability Constant 选项，弹出对话框，连续单击4次Add Temperature 按钮，如图7-95所示。在Temperature文本框

13、中输入20，500，1000，1500，2000，在MURX文本框中均输入1，单击OK 按钮。图7-95 Permeability for Material Number 1对话框（10）定义第二种材料属性：执行Material New Model命令，弹出Define Material ID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7-96 for Material Number 1对话框3、生成有限元模型 （1）建立60度的圆弧面：执行Main Menu p

14、reprocessorModeling Create AreasCircleBy Dimensions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7-97 Circluar Area By Dimensions（2）建立矩形面：执行Main Menu Preprocessor Modeling Create AreasRectangleBy Dimensions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

15、击OK按钮。图7-98 Create Rectangle by Dimensions（3）打开面编号显示：执行Utility Menu Plotctrls Numbering 命令，弹出Plot Numbering Controls 对话框，如图7-99所示。选择Area numbers复选框，单击OK按钮结果如图7-100所示。图7-99 Plot Numbering Controls 对话框图7-100 矩形面与圆面的结果（4）面叠分操作：执行Main Menu Preprocessor Modeling Operate BooleansOverlap Areas命令，弹出拾取框。单击Pi

16、ck All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Main Menu Preprocessor Modeling DeleteArea and Below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：Utility Menu ListPicked Entities命令，弹出Model Query工具栏，如图7-103所示。在Query Item 和On Entities 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-

17、103 Model Query工具栏图7-104 提示窗口（7）拾取关键点：执行Main Menu Preprocessor Modeling Create KeypointsIn Active Cs命令，弹出Create Keypoints in ActiveCoordinate system 对话框，如图7-105所示。在Keypoints number 文本框中输入10，在Location In Active Cs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7-105 Create Keypoints in ActiveCoordinate system

18、对话框（8）建立圆弧：执行Main Menu Preprocessor Modeling Create Lines ArcsThrough3 Kps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Main Menu Preprocessor Modeling Create AreasArbitrary By Lines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Main Menu Preprocessor Modeling Oper

19、ateBooleansAdd 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ANSYS Toolbar 中的SAVE-DB按钮。（12）设置单元属性：执行Main Menu Preprocessor Meshing Mesh AttributesPicked Areas 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Area Attributes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

20、7-109 Area Attributes对话框（13）设置焊缝单元尺寸：执行Main Menu Preprocessor Meshing SizeCntlsManual Size LinesPicked Lines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Element Sizes on Piked Lines对话框。在No of lines to create 文本框中输入10，清楚KYNDIV SIZE ,NDIV can be changed复选框，单击Apply按钮。图7-110 Element Sizes on Piked Lines对话框（14

21、）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Element Sizes on Piked Lines对话框。在No of lines to create 文本框中输入10，SPACE文本框中输入0.5清除KYNDIV SIZE ,NDIV can be changed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Element Sizes on Piked Lines对话框。在No of lines to create 文本框中输入10，SPACE文本框中输入2，清除KYNDIV SIZE ,NDIV can

22、be changed复选框，单击Apply按钮。（16）划分单元：执行Main Menu Preprocessor Meshing MeshAreasMapped3or 4 sided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ANSYS Toolbar 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Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis命令，弹出New Analysis 对话框，如图7-112所示。选择Transie

23、nt单选按钮，单击OK，弹出Transient Analysis 对话框，如图7-113所示。选择Full单选按钮，单击OK按钮。图7-112 New Analysis 对话框图7-113 Transient Analysis 对话框图7-114 Select Enties工具栏（2）选择左边节点：执行Utility MenuSelect Enties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X coordinate和From Full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Main MenuS

24、olution Define LoadsApply StructuralDisplacementOn Nodes命令，弹出拾取框。单击Pick all按钮，弹出ApplyU,ROT on Nodes对话框，如图7-115所示。在DOFs to be contrained 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7-115 ApplyU,ROT on Nodes对话框（4）选择左右两边的节点：执行Utility Menu Select Entities 命令，弹出如图Select Entities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Nodes 和B

25、y location 选项，选择X coordinate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Main MenuSolution Define LoadsApply ThermalTemperatureOn Nodes命令，弹出拾取框。单击Pick all按钮，弹出ApplyTEMP on Nodes对话框，如图7-116所示。在DOFs to be contrained 列表框中选择TEMP选项，在Load TEMP value文本框中输入20，单击OK按钮。图7-116 ApplyTEMP on Nodes对话框（6）选

26、择所有实体：执行Utility Menu Select Everything 命令。（7）显示单元：Utility Menu Plot Elements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ANSYS Toolbar 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Main MenuSolution Load Step OptsOutputCtrls DBResults File 命令，弹出如图7-118所示的Controls for Database and Results FileWriting对话框。选择Eve

27、ry substep单选按钮，单击OK按钮。图7-118 Controls for Database and Results FileWriting对话框（2）施加初始温度值（20）：执行Main MenuSolution Define LoadsApplyInitialCondit,n Define命令，弹出拾取框。单击Pick All 按钮，弹出Define Initial Conditions 对话框，如图7-119所示。在DOF to be specified列表框中选择TEMP选项，在Load TEMP value 文本框中输入20，单击OK按钮。图7-119Define Initi

28、al Conditions 对话框（3）设置时间积分控制：执行Main MenuSolution Load Step Opts Time/Frequency Time Integration Amplitude Decay命令，弹出Time Integration controls 对话框，如图7-120 所示。清除For structural DOFs和For magnetic DOFs 复选框，选择For thermal DOFs 复选框，在GAMMATHETAOSLM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7-120 Time Integration

29、controls 对话框（4）杀死焊缝上半部单元：执行Main MenuSolution Load Step OptsOther Birth &Death Kill Elements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Utility Menu Select Entities 命令，弹出Select Entities 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Live Elems选项 ，选择From Full单选按钮。图7-122 Select

30、 Entities 工具栏（6）显示激活的单元：执行Utility Menu 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Select Entities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Elements和By Attributes 选项，选择Material Num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Select Entities工具栏，在上面两个下拉列表框中分别选择Nodes和Attached to选项，选择Elements和F

31、rom Full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Main MenuSolution Define load OptsApply Thermal Temperature On Nodes 命令，弹出拾取框。单击Pick All 按钮，弹出Apply TEMP on Nodes对话框，如图7-124所示。在DOFs to be contrained 列表框中选择TEMP选项，在Load TEMP value 文本框中输入1500，单击OK 按钮。图7-124 Apply TEMP on Nodes对话框（10）选择所有实体：执行Uti