武汉理工大学材料成型cae综合实验ansys软件.docx

学生学号实验课成绩武汉理工大学学 生 实 验 报 告 书实验课程名称 cae实验 开 课 学 院 材料科学与工程学院 指导老师姓名 廖红卫 学 生 姓 名 学生专业班级 材料成型 2014 2015 学年 第 1 学期实验课程名称：cae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成型组别同组者实验日期2015年1月17日第一部分：实验分析与设计（可加页）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）通过对实验一的命令流文件（1. 焊接接头.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。2）方法：在ansys软件中，命令流的执行通常可采用如下方法：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1）学习实验一的命令流文件（1. 焊接接头.txt），弄清各相关命令语句的含义和使用方法。可参阅帮助文件（英文），或查找ansys命令流手册（图书或上网搜索、如百度一下所选命令的用法）。2）对实验一的命令流文件（1. 焊接接头.txt）进行自主修改。方案可自己确定，但在实验报告中需说明清楚。例如，改变焊接接头的坡口形式、受热情况等等。3）将修改后的命令流进行上机调试运行，获得数值模拟分析结果。4）对数值模拟分析结果进行讨论。第二部分：实验过程记录在实验一的基础上其余条件不变，仅通过改变坡口的大小来观测新的实验现象。具体而言，原本标号为5（1.7,0.2,0),6(1.9,0.2,0)的两点分别改成5（1.68,0.2,0），6（1.91,0.2,0），同时，将生成的弧线长半径由0.2改成0.4，即，增大了坡口的角度，施加温度改为700，重新施加相同的载荷，观察和分析新的数值模拟结果。更改后的命令流：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,1,0.68e9,1.12e10 mp,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,1,0.45e9,0.52e10 mp,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,1,0.56e9,0.51e10 k,1,1 !创建关键点k,2,1.8k,3,2.6k,4,1,0.2k,5,1.68,0.2k,6,1.91,0.2k,7,2.6,0.2a,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,700 !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plnsol,s,eqv !绘制等效应力场等值线图finish 重新运行后生成的位移，等效应力的图形分别如下：温 度：位 移：应力：第三部分：实验分析及小结体会一）.实验分析：在外加载荷不变的情况下，仅改变坡口角度大小，应力分布及变形都会发生变化，但是变化很小，焊缝根部是应力集中的关键点。通过实验图形的分析比较，深刻认识到坡口角度的大小与板厚和焊接方法有关，其作用是可以使电弧能深入根部使根部焊透。坡口角度越大，焊缝金属量越多，焊接变形也会增大，一般坡口选60度左右较好。二）实验问题： 在实验过程中，通过改变 5,6两点的坐标，来改变坡口角度的大小，后来发现在生成面的过程中，焊缝区域没办法完全填充，即焊缝位置形成缺口，经过反复分析后观察发现在生成弧线的过程中圆弧半径取的太小导致坡口角度变大，则相应的圆弧半径也需更改，否则弧线可能无法生成或者是产生相反方向的弧线。三）实验小结与体会： 此次实验是第一次完整独立运用ansys软件，由于缺乏经验，对相关命令流的含义不熟悉，借了很多书也看了一些教学视频，慢慢摸索才学会的。相对于命令流法而言，gui法较为繁琐，但却能很好的说明每一步操作的意义，需通过查阅大量资料才能弄懂每条命令流的含义，实验之后我仍会加强对ansys软件的学习，因为我发现这是分析内部结构的一个很好的途径手段。实验课程名称： cae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成型组别同组者实验日期2015年1月17日第一部分：实验分析与设计（可加页）（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。2）方法：在ansys软件中，命令流的执行通常可采用如下方法：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1）学习实验三的命令流文件（2. 焊接桁架.txt），弄清各相关命令语句的含义和使用方法。可参阅帮助文件（英文），或查找ansys命令流手册（图书或上网搜索、如百度一下所选命令的用法）。2）对实验三的的命令流文件（2. 焊接桁架.txt）进行自主修改。方案可自己确定，但在实验报告中需说明清楚。例如，改变焊接桁架的结构、受力情况等等。3）将修改后的命令流进行上机调试运行，获得数值模拟分析结果。4）对数值模拟分析结果进行讨论。第二部分：实验过程记录 在实验三的基础上，其余条件不变，仅将载荷的方向进行改变，即：将端部竖直向下的均布载荷改为沿端部水平分布的均匀载荷p=20kpa，其余条件不变，观察在新的实验条件下所发生的实验现象。新条件下的命令流如下所示：a1=40/1000 !输入1#方钢的尺寸t1=4.0/1000b1=a1-2*t1area1=a1*a1-b1*b1 !计算1#方钢的面积izz1=(a1*4-b1*4)/12 !计算惯性矩a2=30/1000 !输入2#方钢的尺寸t2=4.0/1000b2=a2-2*t2area2=a2*a2-b2*b2 !计算2#方钢的面积izz2=(a2*4-b2*4)/12 !计算惯性矩a3=70/1000 !输入3#方钢的尺寸 t3=3.0/1000b3=a3-2*t3area3=a3*a3-b3*b3 !计算3#方钢的面积izz3=(a3*4-b3*4)/12 !计算惯性矩a4=80/1000 !输入4#方钢的尺寸a4=80/1000t4=4.0/1000b4=a4-2*t4area4=a4*a4-b4*b4 !计算4#方钢的面积izz4=(a4*4-b4*4)/12 !计算惯性矩/prep7 !进入前处理器et,1,beam4 !选择单元类型r,1,area1,izz1,izz1,a1,a1, !输入1#方钢的实常数rmore,r,2,area2,izz2,izz2,a2,a2, !输入2#方钢的实常数rmore,r,3,area3,izz3,izz3,a3,a3, !输入3#方钢的实常数rmore,r,4,area4,izz4,izz4,a4,a4, !输入4#方钢的实常数rmore,p=7850 !输入材料的密度mp,ex,1,2.06e11 !输入材料的弹性模量mp,prxy,0.3,p !输入材料的泊松比n,1,0, !生成第1个节点n,2,900/1000,n,3,1820/1000,n,4,2740/1000,n,5,3815/1000,n,6,4890/1000,n,7,5965/1000,n,8,7040/1000,n,9,8115/1000,n,10,9190/1000,n,11,10265/1000, !生成第11个节点ngen,2,11,1,11,1,1005/1000,1, !通过复制生成11个节点ngen,2,22,1,11,1,490/1000,1,ngen,2,33,1,22,1,490*2/1000,1, !通过复制生成22个节点real,1 !指定实常数e,(12:21),(13:22) !使用冒号循环生成10个单元e,(45:54),(46:55)real,4 !生成4#方钢的单元e,(1:10),(2:11)e,(34:43),(35:44)real,3 !生成3#方钢的单元e,1,12e,34,45e,1,23e,23,34real,2 !生成2#方钢的单元e,(2:11),(13:22)e,(2:11),(24:33)e,(1:10),(24:33)e,(2:10:2),(12:20:2) !生成5个单元，节点编号间隔为2e,(2:10:2),(14:22:2)e,(35:44),(46:55)e,(24:33),(35:44)e,(24:33),(34:43)e,(35:43:2),(45:53:2)e,(35:43:2),(47:55:2)e,22,55e,22,33/eshape,1 !显示单元的形状finish !退出前处理器/solu !进入求解器nsel,s,loc,x,0 !选择x=0的所有节点d,all,all, !在所选节点上施加全约束nsel,all !选择所有节点acel,0,9.8,0, !考虑自重的作用，在整体结构上施加重力加速度sfbeam,125,2,pres,20000, !在125号单元的第2个面上施加均布力solve !开始求解finish !退出求解器/post1 !进入通用后处理器plnsol,u,sum,0,1 !显示总位移量plnsol,s,eqv,0,1 !显示应力场finish !退出后处理器新条件下的位移图： 新条件下的应力分布图：第三部分:实验分析及小结体会一）实验分析：通过进一步实验，可知同样大小的力，施力点相同，力的方向不同，或者力的方向相同，施力点不同，对于桁架结构的影响很大，在实验过程中，仅将竖直分布的力变为水平均布，则造成桁架整体结构很大的变形。因此在实际生产过程中，要根据实际的受力情况，合理地设计桁架结构，尽量使易变形的面避开主要受力的方向。二）实验问题:在实验过程中，由于结点的个数较多，因此不明白钢材编号是如何排列的，弄不清第125号单元究竟指的哪个单元，而后，通过查阅资料及请教老师及时解决了问题。三）实验小结与体会： 通过该实验，让我认识到了ansys的实用性，有限元的数值模拟有了进一步的认识。此外，在操作过程中，除了可查找相关的ansys命令流手册来学习相关命令流以外，在ansys的utility menu的help选项中也可查询到所需命令流的释义，且会更详细、全面，这对进一步深入学习ansys有较大帮助。桁架结构的分析和设计需运用到理论力学等知识，体现了学科间渗透综合把握的能力。实验课程名称：cae实验 实验项目名称自主设计工件淬火冷却过程的温度场和冷却曲线实验成绩实验者专业班级材料成型班组别同组者实验日期2015年1月17日第一部分：实验分析与设计（可加页）（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）通过对实验五的命令流文件（3. 圆柱淬火.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。2）方法：在ansys软件中，命令流的执行通常可采用如下方法：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1）学习实验五的命令流文件（3. 圆柱淬火.txt），弄清各相关命令语句的含义和使用方法。可参阅帮助文件（英文），或查找ansys命令流手册（图书或上网搜索，如百度一下所选命令的用法）。2）对实验五的的命令流文件（3. 圆柱淬火.txt）进行自主修改。方案可自己确定，但在实验报告中需说明清楚。例如，改变零件的形状尺寸、淬火参数等等。3）将修改后的命令流进行上机调试运行，获得数值模拟分析结果。4）对数值模拟分析结果进行讨论。第二部分：实验过程分析及记录在实验五的条件下，工件的尺寸不变，改变淬火参数，具体而言，是将初始温度t1=850摄氏度改为t1=980摄氏度，换热系数h=650改为h=600，其余条件不变，观察并记录在新的淬火条件下工件的淬火情况。新条件下的命令流：finish !退出当前处理器/clear,start !清除当前数据库文件，并开始新的启动/filname, cylinder !定义文件名 /prep7 !进入前处理器/unit,si !采用国际单位制et,1,solid87 !选择单元类型为solid87mp,kxx,1,30 !定义零件的热传导系数mp,dens,1,7850 !定义零件的密度mp,c,1,460 !定义零件的比热 /view,1,1,1,1 !指定显示的浏览方向cylid,0,0.3,0,0.8,0,90 !建立1/4圆柱几何模型allsel,all !选择所有实体esize,0.08 !定义单元划分尺寸mshkey,0 !设置映射划分单元类型vmesh,1 !划分网格 /solu !进入求解器 tunif,980 !定义初始温度asel,s,3 !选择外表面3asel,a,2 !再加上外表面2asel,a,1 !再加上外表面1sfa,all,1,conv,600,50 !在面上施加对流换热载荷antype,trans !设置为瞬态求解kbc,1 !设置为阶跃载荷施加outres,all !定义结果输出toffst,273 !定义温度偏移量allsel,all !选择所有节点autots,on !打开自动时间开关deltim,10,10,20 !定义时间子步time,3600 !定义求解时间solve !求解 !以下为用云图方式显示最后载荷步的节点温度场、剖切面节点温度场 /post1 !进入通用后处理器set,last !从结果文件中读出最后载荷步的数据集/expand,4,polar,90 !设置三维周期扩展选项plnsol,temp !用云图方式显示节点温度wpoffs,0.4 !将工作平面平移至圆柱中部/cplane,1 !沿工作面将圆柱切开/type,1 !显示类型为显示剖切面set,last !从结果文件中读出最后载荷步的数据集plnsol,temp !用云图方式显示剖切面节点温度/view,1,0,0,1 !指定显示的浏览方向 plnsol,temp !用云图方式显示剖切面节点温度finish !退出通用后处理器 !以下为用图形方式显示心部、中间层、表面层三处节点温度随时间的变化（冷却曲线） /post26 !进入时间历程后处理器/gthk,axis,3 !设置坐标轴线的宽度/gthk,curve,3 !设置曲线的宽度/axlab,x,time(sec) !设置x坐标轴名称/axlab,y,temperature in the crosssection !设置y坐标轴名称nsol,2,node(0,0,0.4),temp,center !从结果文件中取出节点