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PX比钢30 206 1.40 20.6 49.81.10×10-5465 7840 200 192 1.33 19.8 44.8400 175 1.15 18.3 39.4600 153 0.92 15.6 34.0800 125 0.68 11.2 29.0铜30 103 0.9 10.3 3991.66×10-5386 8930 200 99 0.85 9.8 389400 90 0.75 8.9 379600 79 0.62 7.5 366800 58 0.45 5.2 352铁30 118 1.04 11.8 80.51.18×10-5455 7870 200 109 1.01 10.2 63.5400 93 0.91 8.6 50.3600 75 0.76 6.9 39.4800 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plane13keyopt,1,1,4 !keyopt,1,3,1mp,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,200tbdata,1,1.33e9,1.98e10tbtemp,400tbdata,1,1.15e9,1.83e10tbtemp,600tbdata,1,0.92e9,1.56e10tbtemp,800tbdata,1,0.68e9,1.12e10mp,alpx,2,1.66e-5 !输入铜的线膨胀系数mp,dens,2,8930mp,c,2,386mpdata,ex,2,,1.03e11,0.99e11,0.90e11,0.79e11,0.58e11mpdata,prxy,2,,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3mpdata,kxx,2,,399,389,379,366,352tb,bkin,2,5tbtemp,30tbdata,1,0.90e9,1.03e10tbtemp,200tbdata,1,0.85e9,0.98e10tbtemp,400tbdata,1,0.75e9,0.89e10tbtemp,600tbdata,1,0.62e9,0.75e10tbtemp,800tbdata,1,0.45e9,0.52e10mp,alpx,3,1.18e-5 !输入铁的线膨胀系数mp,dens,3,7870mp,c,3,455mpdata,ex,3,,1.18e11,1.09e11,0.93e11,0.75e11,0.52e11mpdata,prxy,3,,0.3,0.3,0.3,0.3,0.3mpdata,kxx,3,,80.5,63.5,50.3,39.4,29.6tb,bkin,3,5tbtemp,30tbdata,1,1.04e9,1.18e10tbtemp,200tbdata,1,1.01e9,1.02e10tbtemp,400tbdata,1,0.91e9,0.86e10tbtemp,600tbdata,1,0.76e9,0.69e10tbtemp,800tbdata,1,0.56e9,0.51e10k,1,1 !创建关键点k,2,1.7k,3,2.4k,4,1,0.3k,5,1.5,0.3k,6,1.7,0.3k,7,2.4,0.3a,1,2,5,4a,2,3,7,6larc,5,6,2,0.3 !生成圆弧线al,2,8,9lsel,s,,,2,8,2lsel,a,,,9lesize,all,,,10lsel,s,,,1,7,2lesize,all,,,16mat,1amesh,1mat,2amesh,3mat,3amesh,2nummrg,all !合并同位置或等效实体numcmp,all !压缩实体编号allselfinish/solu !进入求解器antype,transtrnopt,full !指定分析类型timint,1,struct !打开结构分析时间积分选项timint,1,therm !打开热分析时间积分选项tintp,0.005,,,-1,0.5,0.2time,300 !定义计算终止时间deltim,30,15,60 !指定最大、最小时间步长autots,on !打开自动时间步长kbc,1 !设置加载方式outres,,allbfunif,temp,800 !施加温度载荷lsel,s,,,1,9,2lsel,a,,,4,6,2nsll,s,1sf,all,conv,120,30 !施加对流载荷lsel,s,,,1,5,4nsll,s,1d,all,uy !施加位移载荷allselsolve !开始计算finish/post1 !进入后处理器set,last !读取最终求解结果plnsol,temp !绘制温度场等值线图plnsol,u,sum !绘制合位移场等值线图plnsol,s,eqv !绘制等效应力场等值线图finish第三部分结果与讨论一、实验结果分析（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）二、小结、建议及体会三、思考题实验结果分析：（1）由于坡口较大，导致根部应力过大，由图可充分看出焊缝根部出现应力集中，这和实际的应力场符合，同时图中的温度场的分布也符合实际的焊接温度场分布，说明建立的模型是正确的；（2）本实验中采用命令流法，可以自主修改坡口的基本参数，从而设计最合适的坡口来满足焊接条件，这样有很高的实用性。
小结、建议及体会：通过本次实验，我接触到了运用命令流APDL编程的方式对自主设计的焊接接头的温度场和应力场进行数值模拟分析方法，发现相对于ANSYS中的GUI法来讲，命令流法减少了工作量，不需进行重复的工作，对于复杂有限元模型的分析而言更为简洁，但须清楚每一指令的含义，这样操作起来就会方便快捷很多，通过对实验一命令流相关命令的格式及功能的初步理解，结合实例，尝试进行对焊接接头温度场应力场模型分析的编程，我对于运用命令流进行有限元分析有了初步的掌握。
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桁架的应力场和挠度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1）学习ANSYS命令流法：弄清各相关命令语句的含义和使用方法。
2）通过对实验三的命令流文件（2. 焊接桁架.txt）进行自主修改，并上机调试运行，初步熟悉用ANSYS命令流进行有限元分析的方法。
（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。