I.问题描述

对如图3所示焊接件的两道焊缝的焊接过程温度场进行分析。焊缝及焊件的材料均为钢，其热物理性能参数见表1。初始条件：焊接件的温度为70°F,焊缝的温度为3000°F。边界条件：表面传热系数0.00005 Btu/(sin²°F),环境温度70°F。计算2000s以后整个焊接件的温度分布。

图3焊接零件的几何模型

表1铸钢的热物理性能表

Ⅱ.具体模拟步骤

1.打开ANSYS软件，启动后的界面如图4所示。

图4 ANSYS启动后的界面

2.定义文件名

选择Utility Menu→File→Change Jobname→在弹出的对话框中输入Welding→单击

3.定义单元类型

选择Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete→选择Thermal Solid和Brick 8node70（8节点三维六面体单元）→点击→点击→关闭单元添加对话框。

4.定义焊缝及焊件钢板的材料属性

1)定义右焊缝的材料属性

(1)定义密度：选择Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models→在材料属性对话框中默认材料编号1→点击对话框右侧的Thermal→Density→输入0.2833→单击

(2)定义热导率：点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Isotropic→在弹出对话框热导率KXX中输入0.5e-3→点击

(3)定义比热容：点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Specific Heat→在弹出对话框比热容C中输入0.2→点击

(4)点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Enthalpy→单击，增加温度到T1-T5，并按照图5所示输入材料参数→点击，材料的焓随温度的变化曲线如图6所示→单击→关闭材料属性定义对话框。

图5材料焓参数输入对话框

图6材料焓参数温度变化曲线

2)定义焊件钢板的材料属性

(1)定义密度:点击材料属性对话框中的Material→New Model，在弹出的对话框中点击，然后选中Material Model Number 2，点击对话框右侧的Thermal→Density→在对话框中输入0.2833→点击

(2)定义热导率：点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Isotropic→在弹出对话框热导率KXX中输入0.5e-3→点击

(3)定义比热容：点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Specific Heat→在弹出对话框比热容C中输入0.2→点击

3)定义左焊缝的材料属性

(1)定义密度：点击材料属性对话框中的Material→New Model→点击,然后选中Material Model Number 3，点击对话框右侧的Thermal→Density→输入0.2833→点击。

(2)定义热导率：点击对话框右侧的Thermal→Conductivity→Isotropic→在弹出对话框的热导率KXX中输入0.5e-3→点击

(3)定义比热容：点击对话框右侧的Thermal→Specific Heat→在弹出对话框的比热C中输入0.2→点击

(4)定义与温度相关的焓参数：点击材料属性对话框中的Material→Edit→Copy→from Material number中选择1→点击→关闭材料属性定义对话框。

5.建立几何模型

选择Main Menu→ Preprocessor→ Modeling→ Create→ Volumes→ Block→ By Dimensions，在弹出的长方体建立对话框的X1、X2、Yl、Y2、Z1和Z2中分别输入-0.17、0.17、0、0.34、0和1.2，点击,如图7所示。然后再在长方体建立对话框的X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2中分别输入0.17、0.34、0、0.34、0和1.2→点击。重复操作，在长方体建立对话框的X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2中分别输入0.34、1、0、0.34、0和1.2; -0.17、0.17、0.34、0.51、0和1.2; -0.17、0.17、0.51、1.34、0和1.2等几组数据，点击。选择Utility Menu→Work Plane→Display Working→ Utility Menu→Work Plane→Offset WP byIncrements,弹出图8所示的工作坐标系平移对话框。在X，Y，Z Offsets中输入0.17,0.34,0→按回车键确认→点击→关闭坐标系平移对话框。

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Volumes→Cylinder→By Dimensions,在弹出圆柱体建立对话框的RAD1、RAD2、Zl、Z2、THETA1和THETA2中分别输入0.17、0、0、1.2、0和90,点击,如图9所示。选择Utility Menu→Work Plane→Offset WP to Global Origin,然后选择Main Menu→ Preprocessor→Modeling→Reflect→Volumes，在弹出的对话框中选择Min，Max，Inc，输入2,3,1后按回车键，然后输入6后再按回车键。点击,弹出体映射复制对话框→点击，建立的几何模型如图10。

图7长方体建立对话框

图8工作坐标系平移对话框

图9圆柱体建立对话框

6.布尔操作

选择Main Menu→Preprocessor→Modeling→Operate→Glue→Volumes,在弹出的对话框中点击。

7.设置单元密度

选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Size Cntrls→Manualsize→Global→Size，在弹出的对话框的Element edge length框中输入0.05,然后点击。

8.设置焊接件网格划分属性

1)设置右焊缝网格划分属性：选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Picked Volumes,选择Min，Max,Inc，输入10后按回车键，点击，在弹出的对话框中的MAT和TYPE中选择1和1SOLID70。.

2)设置两钢板网格划分属性：选择MainMenu→Preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Picked Volumes,选择Min，Max,Inc,输入1后按回车键，然后再输入12,17,1后按回车键→点击→在弹出的对话框中的MAT和TYPE中选择2和1SOLID70。

3)设置左焊缝网格划分属性：选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh Attributes→Picked Volumes,选择Min,Max,Inc,输入11后按回车键，点击→在弹出的对话框中的MAT和TYPE中选择3和1SOLID70。

9.划分单元

选择Utility Menu→Select→Everything选择Main Menu→Preprocessor→Meshing→Mesh→ Volume Sweep→Sweep,选择。有限元模型如图11所示。

图10几何模型图11有限元模型

10.杀死左焊缝单元

选择Main Menu→Preprocessoi→Loads→Load Step Opts→Othei→Birth & Death→Kill Elements,在弹出的对话框中选择Min，Max，Inc，输入9577,9888,1后按回车键,然后点击。选择Utility Menu→Select→Everything,选择所有对象。

11.温度偏移量设置

选择Main Menu→Solution→Analysis Options,在弹出的对话框的TOFFST中输入460。

12.稳态求解

进行稳态求解，得到温度的初始条件，分析时间为1s。

1)施加初始温度:

(1)对右焊缝施加初始温度：选择Utility Menu→Select Entities,在弹出的对话框中选择Elements、By Attributes和Material num,在Min,Max,Inc中输入1,然后点击。选择Nodes Attached to、Elements和From Full,然后点击。选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature→On Nodes→点击,弹出图温度约束条件施加对话框。在Lab中选择TEMP,在VALUE中输入3000,然后点击。

(2)对两钢板施加初始温度:选择Utility Menu→Select Entities,在弹出的对话框中选择Nodes →By Num/Pick和From Full.然后点击Inver。选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Tliermal→Temperature→On Nodes,点击,在弹出的对话框的Lab中选择TEMP, VALUE中输入70→点击。

2)设置求解选项选择Main Menu→Solution→Analysis Type→New Analysis,在弹出的对话框中选择Transient→点击。在随后弹出的对话框中接受默认设置，点击。选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Newmark Parameters,在弹出的对话框中将T1M1NT中设置为OFF→点击，即定义为稳态分析。选择Mag Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→Time-Time Step,设定TIME为1→点击。

3)保存选择Utility Menu→Select→Everything,然后点击ANSYS Toolbar SAVE_DB。

4)求解选择MainMenu→Solution→Solve→Current LS,弹出STATUS Command和Solve Current Load Step两个对话框,选择STATUS Command对话框的File→Close,进行计算。

13.右焊缝液固相变瞬态求解

进行瞬态求解，分析右焊缝液固相变过程,分析时间为100s。

1)删除温度载荷选择Main Menu→Solution→Define Loads→Delete→Thermal→ Temperature→On Nodes,点击,在弹出的约束条件删除对话框的Lab中选择TEMP，然后点击。

2)施加对流换热载荷选择Utility Menu→Select Entities,在弹出的对流换热载荷面，选择对话框中选择Areas、Exterior和From Full,再选择Areas、By Location和Y coordinates,在Min, Max中输入0,选择Unselect→点击。选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Convection→On Areas,点击，在弹出的对流换热载荷施加对话框的VALI中输入5e-5，VAL2I中输入70→点击。

3)瞬态求解设置选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frequenc→Time Integration→Newmark Parameters,在弹出的对话框中将TIMINT中设置为ON→点击，即定义为瞬态分析。选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→Time-Time Step在对话框中设定TIME为100,DELTIM为1，KBC中选择Stepped,将Minimum time step size设置为0.5，Maximum time step size设置为10，AUTOTS设置为ON→点击。

4)输出控制对话框选择Main Menu→ Solution→Sol’n Controls,在弹出的对话框的Frequency中选择Write every substep→点击。

5)存盘选择Unity Menu→Select→Everything→点击ANSYS Toolbar的。

6)求解选择Main Menu→Solution→Solve→Current LS,进行计算。

14.右焊缝凝固过程瞬态求解

进行瞬态求解，分析右焊缝凝固过程,分析时间为1000s。

1)瞬态求解设置选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→ Time-Time Step,在对话框中设定TIME为1000,DELTIM为50,在Minimum time step size中设置为10,在Maximum time step size中设置为100→点击。

2)求解选择Main Menu→Solution→Solve→Current LS，进行计算。

15.短暂的瞬态求解

激活所有单元，进行短暂的瞬态求解（进行准稳态分析)，得到温度的初始条件，分析时间为1001s。

1)激活左焊缝单元选择Main Menu→Solution →Loads→Load Step Opts→Other→Birth & Death→Activate Elem,在弹出的对话框中选择Min，Max,Inc,输人9577,9888，1后按回车键→点击。选择Utility Menu→Select→Everything,选择所有对象。

2)施加左焊缝的温度载荷选择Utility Menu→Select Entities,在弹出的对话框中选择Elements、By Attributes和Material num,在Min,Max，Inc中输入3→点击。再选择Nodes、Attached to、Elements和FromFull→点击OK。选择Main Menu→Solution→Define Loads→Apply→Thermal→Temperature→On Nodes→点击,在弹出的对话框的Lab中选择TEMP, VALUE中输入3000→点击。

3)瞬态求解设置选择Main Menu→SGlution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→Time- Time Step,设定TIME为1001,DELTIM为1，在KBC中选择Ramped,将Minimum time step size设置为1，Maximum time step size设置为1,AUTOTS设置为ON→点击。

4)求解选择MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS,进行计算。

16.左焊缝液固相变瞬态求解

进行瞬态求解，分析左焊缝液固相变过程，分析时间为1100s。

1)删除温度载荷选择Main Menu→Solution→Define Loads→Delete→Thermal→ Temperature→On Nodes,点击,在弹出的对话框的Lab中选择TEMP→点击。

2)瞬态求解设置选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→Time- Time Step,设定TIME为1100,DELTIM为1,在KBC中选择Stepped,将Minimum time step size设置为0.5,Maximum time step size设置为10，AUTOTS设置为ON→点击。

3)求解选择Main Menu→Solution→Solve→CurrentLS,进行计算。

17.左焊缝凝固过程瞬态求解

进行瞬态求解，分析左焊缝凝固过程，分析时间为2000s。

1)瞬态求解设置选择Main Menu→Solution→Load Step Opts→Time/Frenquenc→ Time- Time Step,设定TIME为2000, DELTIM为100,将Minimum time step size设置为10, Maximum time step size设置为200→点击。

2)求解 选择MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS,进行计算。

18.后处理

1)显示1s和2s后温度场分布云图选择Utility Menu→PlotCtrls→Window Controls→Window Options，在弹出的对话框的INFO中选择Legend ON→点击。选择Main Menu→General Postprc→Read Results→By Pick,弹出图12所示的结果读取对话框。选择第1个载荷步的分析结果→点击→点击,关闭该对话框。

选择Main Menu→General Postprc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu,在弹出的对话框中选择NodalSolution→DOFSolution→NodalTemperature→点击。第1载荷步温度分布云图如图13所示。与前面读取结果的方法相同，读取第2步（时间为2s)的分析结果，温度分布云图如图14所示。

2)显示100s后温度场分布云图与前面读取结果和显示结果的方法相同,读取第25步（时间为100s)的分析结果，温度分布云图如图15所示。

图12结果读取对话框

图13 1s后温度分布云图

图14 2s后温度分布云图

图15 100s后温度分布云图

3)显示1000s和1001s后温度场分布云图与前面读取结果和显示结果的方法相同，读取第30步（时间为1000s)的分析结果，温度分布云图如图16所示。读取第31步（时间为1001s)的分析结果，温度分布云图如图17所示。

图16 1000s后温度分布云图

图17 1001s后温度分布云图

4)显示1002s后温度场分布云图与前面读取结果和显示结果的方法相同，读取第32步（时间为1002s)的分析结果，温度分布云图如图18所示。

5)显示2000s后温度场分布云图与前面读取结果和显示结果的方法相同，读取第59步（时间为2000s)的分析结果,温度分布云图如图19所示。

图18 1002s后温度分布云图

图19 2000s后温度分布云图

6)显示零件的8个节点在焊接过程中温度随时间变化曲线图选择MainMenu→Time Hist Postpro，在弹出的对话框中点击图标。弹出对话框后选中选择Nodal Solution→DOF Solution→Nodal Temperature→点击。在弹出的对话框中选择Min,Max,Inc,输入4727后按回车键确认→点击。重复以上操作，依次选择4752号、4808号、4833号、4883号、4908号、5088号和5308号节点。

选择Utility Menu→PlotCtrls→Style→Graphs→Modify Axes,在弹出的对话框的/AXLAB中分别输入TIME和TEMPERATURE, /XRANGE中选择Specified range, XMIN和XMAX中输入0和2000→点击。然后按住Ctrl键，选择TEMP_2到TEMP_9,点击图标，零件的某些节点在焊接过程中温度随时间变化曲线图如图20所示

图20零件的某些节点在焊接过程中温度随时间变化曲线图

7)生成零件焊接过程动画选择Utility Menu→PlotCtrls→Animate→Over Results，在弹出的对话框的Model result data中选择Load Step Range,在Range Minimum,Maximum中输入1,6，在Display Type中的左侧选中DOF solution，右侧选择Temperature TEMP,将Auto contour scaling设置为ON→点击。在放映的过程中，选择Utility Menu→PlotCtrls→Animate→Save Animation ,可存储动画，观看完结果时可点击对话框中的,结束动画放映。

8)退出ANSYS10.0，点击ANSYS Toolbar中的→选择Quit No Save，→点击。