焊接热过程仿真实验
一、实验目的
1、通过实验加强对瞬时点热源焊接温度场和焊接热循环的概念、影响因素、
解析解和数值解的特点等的感性认识。
2、Matlab,Ansys软件的使用。
二、实验内容
1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。
2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算，观察温度分布
云图，绘制指定点的焊接热循环曲线，对瞬时点热源焊接温度场的影响因素进行定量定性的探讨。
三、实验步骤
1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。
(1)启动Matlab软件；
(2)打开新文件
(3)编写程序
源程序如下：
%Instant point heat
r= -4:.01:4;
Q=3600;
lan=0.4;
c=0.65;
p=7.8;
cp=c*p;
a=lan/cp
for t=1:1:10
temp =2*Q/cp/(4*pi*a*t)^1.5*exp(-r.^2 /4/a/t);
plot(r,temp)
hold on
end
ylabel('温度(C)')
xlabel('距离r (cm)')
grid on
（4）运行程序
（5）记录指定时间的温度，绘制温度分布曲线。
实验结果图如下：
2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算。
ANSYS软件采用有限元方法进行稳态、瞬态热分析，计算各种热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
这些热载荷包括：对流，辐射，热流率，热流密度（单位面积热流），热生成率（单位体积热流），固定温度的边界条件。
采用ANSYS软件进行热过程分析可以用菜单交互操作和编程两种方式。
由于本次实验仅有两学时，学生又无该软件的使用经验，所以主要以程序调试为主，将重点放在参数影响因素的探讨。
（1）使用文本文件编辑器编写程序
（2）以.mac为扩展名存盘
（3）运行Ansys软件
(4) 设置文件夹到程序所在文件夹
（4）运行程序
源程序及各步骤所得结果图如下：! 步骤1：项目设置
FINISH
/CLEAR
/FILNAME, Point heating
!Give the analysis a title
/TITLE,Point Heat
! 步骤2：设置单元、材料特性参数
/UNITS,SI
ET,1,SOLID70 !单元类型选择
MP,DENS,1,7800 !密度
MP,KXX,1,40 !导热系数
MP,C,1,650 !比热容
!MPTEMP,1,0,227,727,1727,2727
!MPDATA,KXX,1,1,83.5,61.5,32.5,42.5,46 !MPDATA,C,1,1,430,540,980,847,400
!MPTEMP,1,0,1533,1595,1670
!MPDATA,ENTH,1,1,0,7.5E9,9.6E9,1.05E10
!步骤3：建模
a=0.05 !模型边长
an=5 !边长上的单元数
b=0.01 !网格密集区边长
bn=10 !网格密集区边长上的单元数block,0,b,0,b,0,b !建模
block,0,a,0,a,0,a
vovlap,all
/pnum,volu,1
!步骤4：网格划分
vsel,s,loc,z,0,b
vatt,1,,1,0
mshkey,1
LESIZE,11, , ,bn, , , , ,1 LESIZE,6, , ,bn, , , , ,1
LESIZE,7, , ,bn, , , , ,1
vmesh,all
vsel,inve
vatt,1,,1,0
esize,a/an
smrtsize,6
mshape,1,3d
mshkey,0
vmesh,all
vsel,all
/VIEW,1,0.5,-1,0.5
/TRIAD,OFF !Turn triad symbol off
/REPLOT
!步骤5：求解
/SOLU
ANTYPE,TRANSIENT,NEW
TRNOPT,FULL
LUMPM,ON
TOFFST,273
TUNIF,20 ! 工件初始温度。
有预热时改为预热温度TREF,20 ! 参考温度
acof=10 ! 传热系数
SFA, 8, , conv, acof, 20
SFA, 10, , conv, acof, 20
SFA, 12, , conv, acof, 20
F,2,HEAT,3600/4/0.2 !输入热量
TIME,0.2 !Set time at end of load step
AUTOTS,-1 !Program chosen automatic time stepping DELTIM,0.01,0.001,0.25,1 !Specify time step sizes KBC,1 !Specify stepped loading
!
OUTRES,ALL,ALL !Write to file at every step
SA VE
/STAT,SOLU !Display solution options
/REPLOT !Display all nodes
SOLVE
F,2,HEAT,0
TIME,5 !Set time at end of load step 终止时间
SOLVE
FINISH
/post1
plnsol,temp! 显示温度分布
/EOF
（5）使用General Postproc/Read Results读取指定时间的数据，（选取t=2.996s时刻温度场，实验结果图如下）
（6）使用General Postproc/Plot Results绘制温度场云图
热循环曲线数据。
选取点Node=33、34、35、36、37、38。
其坐标如
各点热循环曲线图如下：
(8) 获取分析讨论所需的数据和依据
改变网格密度对计算精度的影响（提示：改变程序中an、bn值）
模型尺寸对精度的影响（提示：改变程序中a值）
焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理
有限元数值解与解析解的比较（提示：选择若干个时间的数据比较）
预热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：改变程序中工件初始温度）
焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响
（提示：增加对流传热条件）
当材料性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响
（提示：材料特性数据随温度变化
3、实验结果与讨论
温度场分布、变化规律
热循环曲线及特点
为何将模型分为网格尺寸不同的两个区
改变网格密度对计算精度的影响
模型尺寸对精度的影响，
有限元数值解与解析解的比较
焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理
预热对焊接温度场、热循环曲线的影响
焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响
当材料性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响
4、实验体会。