材料数值模拟——温度场模拟
材料数值模拟——温度场模拟
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2-4不稳定导热的有限差分法 解题步骤
• 内节点和边界节点差分方程的建立
– 内节点一般采用直接法：即由导热微分方程直接用差 商代替微商，导出递推公式，也可采用热平衡法；
– 边界节点一般采用热平衡法，视具体边界建立相应的 能量方程
• 选择求解差分方程组矩阵的计算方法 • 编写计算程序 • 计算 • 计算结果的处理和分析讨论
解题步骤
• 分析和简化物理模型
– 判断问题属于稳态问题还是非稳态问题 – 有无内热源 – 适宜的坐标 – 判断边界条件的类型
• 数学模型的建立 一般模型： c T [ ( T ) ( T ) ( T ) ] Q .
x x y y z z
物性参数为常数： 1 T ( x 2T 2 y 2T 2 2 zT 2)Q
– 第三类边界条件：已知物体周围介质温度Tf\ 物体表面温度（ Tw ）以及物体表面与周围 介质间的放热系数。 qw= （ Tw - Tf\ ）
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2-3传热问题的数值计算方法
• 分析解法
– 定义：以数学分析为基础，求解导热微分方程的定 解问题。
– 特点：求得的结果为精确解 – 不足：只能求解比较简单的导热问题，而对于几何
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• 铸件凝固过程数值参模拟考，书陈海目清等，重庆大学出
版社，1991（TG21-C4-2）
• 焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社， 1990（TG402-N74）
• 计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版社 ，1993（TG248-C73）
• 计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版社 ，1988（TK124-43-G91）
dTT(xx)T(x)
等离子弧焊接熔池流场和温度场三维数值模拟
（３）合理的疏密分布：在流场参数变化率较大的区域（如焊接熔池区、液固两相区等）及几何形状变化剧烈的区域采用较密的网格：（４）正交性：物面上尽可能地保证网格线的正交性，保证边界上的计算精度；（５）单值性：物理域与计算域上点一一对应，不能有网格线相交和重叠。
由于工件上存在较大的温度梯度，尤其是靠近电弧附近，温度梯度最大，离热源越远，温度梯度越小，因此把热源附近的网格分的细一些，而在远离熟源处则采用较粗的网格，这样就可以在不增加单元和节点数量静条件下提高计算精度。
有限元方法的优点之一是能很好地适应物理域复杂的几何形状，可以生成非均匀网格。
图３·１三维模型及非均匀阐格系统示意｛耋｛ＡＮＳＹＳ中网格类型有自由网格和映射网格两种。
自由网格对于实体模型无特殊要求。
对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的规则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成：自由体网格一般限图４—１（ｂ）为焊接时问为０．２ｓ时温度情况，可以看出，在焊接热源作用下，电弧下方中心处工件温度迅速升高，工件开始熔化，并出现少量液相。
图４．１（ｃ）．（ｇ）即０．２ｓ，１．２ｓ时间段，随着焊接过程的进行，热输入量增加，焊接熔池温度不断升高。
液态金属量逐渐增多，熔池沿着径向和轴向两个方向扩展。
其中径向方向的扩展更为明显。
这主要是因为焊接初期，热传导起主要作用，形成的熔池体积较小，流体流动速度较低，等离子流力和电磁力纵向的挖掘作用较弱，因此熔池主要沿着径向方向扩展，轴向也伴随有一定程度的扩张。
焊接熔池形状近似成半椭圆形，并以椭圆形为基础逐渐长大。
图４一ｌ（ｈ）一（ｎ）即１．４ｓ．２．４ｓ时问段，随着焊接时间的延长，热输入量继续增加，焊接熔池液态金属量增多，液态金属的运动也逐渐加剧，此时熔池主要沿轴向方向扩展，熔深增加，直至熔透，径向方向上熔池尺寸也有一定程度的增加。
二维导热物体温度场的数值模拟教程文件
维导热物体温度场的数值模拟Urwvorwty of 帥©fix T KhzIogy Beijing金属凝固过程计算机模拟题目二维导热物体温度场的数值模拟Solidworks十字接头的传热分析作者：张杰学号：S2*******学院：北京有色金属研究总院专业：材料科学与工程成绩：2015年12月二维导热物体温度场的数值模拟图1二维均质物体的网格划分用有限差分法模拟二维导热物体的温度场，首先将二维物体划分为如图1所示的网格，x 与y 可以是不变的常量，即等步长,也可以是变量（即在区域内 的不同处是不同的），即变步长？如果区域内各点处的温度梯度相差很大，则在温度 变化剧烈处，网格布得密些，在温度变化不剧烈处，网格布得疏些？至于网格多少，步长取多少为宜，要根据计算精度与计算工作量等因素而定 ？在有限的区域内，将二维不稳定导热方程式应用于节点（i , j ）可写成:2T 2T ,jP十P 1 十PT T，j T.i ，j5工i ,j x 2i ，j当 时，即x 、PTx i . i ,jP PP T i 1 ,j 2T ,jTi 1 ,j2T P T Pi , j i ,j 1 2yy 较小时，忽略（）、x)2y)2x)2、2y ）项。
当X yx 、 y 方向网格划分步长相等？最后得到节点U ，j)的差分方程:T P 1T P匚 T PT P T P T P 4T P1 i ,jT i ,jF 0T i 1 ,jT i 1, j 1 i ,j 1 T i ,j 1 4l i ,j式中：F o 2C p x假设边界为对流和辐射边界，对流用以下公式计算:P 1 P P PPPT i , j T i , j F 0 2T i 1 ,j T i ,j 1 T i ,j 1 4T i ,jMATLAB 编程模拟表1计算机模拟参数在MATLAB 中编程求解，程序如下： clc; clear; format lo ng %%参数输入moni_canshu=xlsread 模拟参数输入.xlsx',1,'B2:B11'); %读取exceI 中的模拟参数 s=moni_canshu(1);%几何尺寸,m t0=moni_can shu(2);% 初始温度，°C tf=mo ni_can shu(3); % 辐射(空气)边界，C rou=mon i_ca nshu(4);% 密度,kg/m3 lamda=moni_canshu(5);%导热系数,w/(m C ) Cp=moni_can shu(6);% 比热,J/(kg C )n=moni_canshu(7);%工件节点数，个 <1000 dt=60*mo ni_can shu(8); % 时间步长，min to s m=moni_canshu(9);%时间步数，个 <100 dx=s/( n-1);% 计算 dx f0=lamda*dt/(rou*Cp*dx*dx); %计算f0 %%初始参数矩阵，初始温度 for iii=1: n for jjj=1: n Told(iii,jjj)=t0; end endTold(1,:)=tf; Told( n,:)=tf; Told(:,1)=tf; Told(:, n)=tf; %%写文件表头xlswrite('data.xlsx',{['坐标位置']}, 'sheet1：'A1'); asc=97; for ii=1: nbiaotou 仁{['第'nu m2str(ii)'点']};a cT fT j , jC p xasc=asc+1;xlswrite('data.xlsx',biaotou1:sheet1:[char(asc) '1']);xlswrite('data.xlsx',biaotou1:sheet1：['A' num2str(ii+1)]);end%%模拟运算for jj=1:2copyfile('data.xlsx：'data1.xlsx)Tn ew(1：1: n)=tf;Tn ew( n：1: n)=tf;Tn ew(1: n：1)=tf;Tn ew(1: n：n )=tf;for i=2: n-1for j=2: n-1Tn ew(i：j)=Told(i：j)+fO*(Told(i-1：j)-4*Told(i：j)+Told(i+1：j)+Told(i：j- 1)+Told(i：j+1));endendTold=T new;pcolor(Told);% 绘图shad ingin terpcolormap(jet)pause(O.I)saveas(gcf：[第' num2str(jj*0.1) 's温度图像.jpg']);xlswrite('data1.xlsx',Told,'sheet1：'B2');copyfile('data1.xlsx：['第'num2str(jj*0.1) 's数据.xlsx']) delete(datal.xlsx);end模拟结果:251010 15 20 25图3模拟物体的温度分布25201 J5 10 15 20 25图2模拟物体的温度等高线图和温度梯度分布图。
激光作用双层材料产生瞬态温度场的数值模拟
２ ｃｏ ｌ ｆ Ｓ ｉ ｃ ， ｎｉｇ Ｕ ｉｅｓ ｙｏ ｃ ｎ ｅ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ ．Ｓ ｈ ｏ ｏ ｃｅ ｅ Ｎａ ｊｎ ｎｖｒｉ Ｓ ｉ ｃ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｎａｊｎ １ ０ ４ Ｃ ｎ ｔｆ ｅ ａ ｎｉｇ ２ ０ ９ ， ＨＮ）
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材料加工过程中的温度场模拟
材料加工过程中的温度场模拟材料加工过程中的温度场模拟是一个非常重要的研究领域，在现代工业生产中起着至关重要的作用。
随着纳米技术、材料科学和计算机科学的不断发展，温度场数值模拟的研究已经成为了一个热门话题。
本文将从基本概念入手，探讨材料加工过程中的温度场模拟。
一、什么是温度场模拟温度场模拟是指通过数值分析方法，采用计算机模拟技术来研究材料加工过程中的温度分布情况。
这种方法通过将各种加工参数输入计算机程序中，同时综合考虑初始温度、材料导热系数、放热能量等多种因素，从而确定加工过程中的温度场分布和变化规律。
二、温度场模拟在材料加工中的应用1. 金属材料加工中的应用金属材料加工过程中，温度场模拟可以用来优化加工参数和工艺流程，提高加工速度和质量。
例如，在压缩成型过程中，通过数值模拟计算可以确定加热和冷却的时间和强度，从而获得最佳的成型效果。
2. 塑料材料加工中的应用温度场模拟在塑料材料加工中的应用非常广泛，可以被用来优化成型工艺流程，提高产品质量和减少生产成本。
例如，在注塑成形过程中，通过温度场模拟，可以预测塑料流动和冷却过程，避免塑料变形或热应力开裂等问题。
3. 玻璃材料加工中的应用玻璃材料在加工过程中容易受到热应力的影响，因此温度场模拟在玻璃材料加工中也十分重要。
例如，在玻璃淬火过程中，通过数值模拟可以得到最佳的淬火温度和冷却速度，从而使玻璃成型更加均匀和质量更加优良。
三、温度场模拟技术的局限性尽管温度场模拟技术可以帮助我们更好地了解材料加工过程中的温度分布和变化规律，但是它也存在一些局限性。
首先，温度场模拟需要耗费大量的时间和资源，特别是对于非常复杂的加工过程来说，模拟时间有时可能需要数月甚至数年。
其次，模拟结果与实际加工结果仍有一定的差异，尤其是对于材料中存在不均匀性和爆炸性反应的情况来说，模拟结果存在不确定性。
四、未来研究方向随着计算机科学和材料科学的不断发展，温度场模拟的研究也将在更广泛和深入的领域得到应用。
多孔材料固定床内温度场的数值模拟研究
多孔材料固定床内温度场的数值模拟研究冯守玲;郑艺华;张心怡;杨启容【期刊名称】《青岛大学学报（工程技术版）》【年(卷),期】2017(032)002【摘要】针对多孔介质固定床内三维温度场测量困难的问题,本文以微小反应器固定床为背景,采用Fluent数值模拟软件,研究了孔隙率、流动速度、长径比和内热源对阳离子交换树脂固定床内部温度分布的影响,分析了固定床内树脂颗粒的传热特性.研究结果表明,在恒壁温条件下,流速一定时,轴线温度随床高呈对数分布,且多孔材料孔隙率越小,各床层轴线温度越低;在相同孔隙率下,流速越低,床层轴线温度达到壁温越快;由径向温度分布得知存在"入口效应",这是因为入口段流动不稳定,温度分布不均匀;长径比变化对固定床温度变化影响较小.固定床内置热源,恒热流对固定床温度的影响明显弱于恒壁温,模拟结果与现有文献实验结果基本吻合.该研究为测量三维温度分布实验提供了参数依据.【总页数】5页(P91-95)【作者】冯守玲;郑艺华;张心怡;杨启容【作者单位】青岛大学机电工程学院,山东青岛 266071;青岛大学机电工程学院,山东青岛 266071;青岛大学机电工程学院,山东青岛 266071;青岛大学机电工程学院,山东青岛 266071【正文语种】中文【中图分类】TK124;TQ021.3【相关文献】1.节能混凝土多孔砖墙体温度场数值模拟研究 [J], 彭翰翔;袁建伟;徐生2.松弛热定型机腔内三维流场及温度场数值模拟研究 [J], 宋树权;葛友华;袁铁军;张广冬3.TiO２／SiO２漂浮固定床多孔材料光催化氧化活性研究 [J], 周文富;黄河宁4.煤制天然气甲烷化固定床反应器内反应特征参数场分布的数值模拟研究 [J], 马涛;张亚新5.地层温度场下地下开采矿山斜坡道内氡运移数值模拟研究 [J], 汪弘;齐志扬;杨展康;洪昌寿;兰明;廖雨航因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
热处理过程中温度场的数值模拟及分析
热处理过程中温度场的数值模拟及分析热处理是一种常用的金属加工工艺，通过控制金属材料的加热与冷却过程，可以改变金属材料的组织结构和性能。
温度场是热处理过程中重要的参数之一，直接影响着金属材料的组织和性能的形成与变化。
因此，准确地模拟和分析热处理过程中的温度场对于优化工艺、改善产品质量具有重要意义。
数值模拟是研究温度场的有效方法之一。
它基于数学模型和计算方法，通过计算机的数值计算来获得温度场的分布情况。
在热处理过程中，温度场的分布受到多个因素的影响，如加热功率、材料热导率、热辐射、对流散热等。
数值模拟通过建立数学模型，考虑这些因素，并进行相应的计算，可以得到较为准确的温度场分布。
首先，进行数值模拟需要选择适当的数学模型。
在热处理过程中，常用的模型有热传导方程、能量方程等。
热传导方程是研究物体内部温度分布的基本方程，它考虑了热传导过程中的温度梯度对热流的影响。
能量方程则是考虑了热源与物体之间的热交换过程，可以更全面地描述温度场的变化。
其次，进行数值模拟需要确定边界条件。
边界条件是指在模拟过程中与外界接触的部分，它对于温度场的分布起着重要的影响。
常见的边界条件有热流、热辐射和对流散热等。
热流边界条件是指物体表面受到的外部热量输入或输出，热辐射边界条件是指物体表面受到的辐射热量，而对流散热边界条件则是指物体与周围介质间的热交换。
然后，进行数值模拟需要进行网格剖分。
网格剖分是将模拟区域分成小的单元，用于离散方程和计算。
在温度场的数值模拟中，常用的网格剖分方法有结构化网格和非结构化网格。
结构化网格是指将模拟区域划分为规则的矩形或立方体单元，易于计算和分析。
非结构化网格则是将模拟区域划分为任意形状的单元，适用于复杂几何形状和不均匀材料性质的模拟。
最后，进行数值模拟需要选择合适的求解方法。
在热处理过程中，常用的求解方法有有限差分法、有限元法和边界元法等。
有限差分法是基于差分逼近的一种方法，将参与方程离散化成代数方程，并通过迭代计算得到数值解。
焊接温度场和应力场的数值模拟
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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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– 铸造：液态流动充型、凝固结晶等； – 锻压：固态流动变形、相变、再结晶等； – 焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经
历不同的热处理过程； – 热处理：相变、再结晶等； – 特点：复杂的物理、化学、冶金变化
• 热加工过程目的
– 获得一定的形状、尺寸、成分和组织 – 成为零件、毛坯、结构
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结 果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的 传热。
• 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• T：热力学温度（k） • C：辐射系数，C=C0, C0=5.67W/m2.K4
– 两物体之间热辐射交换：QR= C0(T14- T24)
导热的数学描述
建立基础：傅立叶定律和能量守恒定律
在d 时间内，沿X方向导入微元体的热量： Qx=qx ·dA·d= qx ·dy ·dz ·d 在d 时间内，沿X方向导出微元体的热量： Qx+ dX =qx+ dX ·dA·d= qx +dX ·dy ·dz ·d 在d 时间内，沿X方向在微元体内积蓄的热量： dQx = Qx - Qx+ dX =(qx - qx +dX ) dy ·dz ·d
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同一时 刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
dq qx x x dx
dq qy y y dy
( qx qy qz x y z )dxdydzd
dq qz z z dz
T
T
T
[ ] x ( x )
2T 2T
y (
2T
1990（TG402-N74） • 计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版社
，1993（TG248-C73） • 计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版社
，1988（TK124-43-G91） • 焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社，
1997
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
热量传递的三种基本形式/热对流
• 定义
– 运动的流体质点发生相对位移而引起的热转移 现象
• 遵循的定律
– 牛顿定律
– 公式： Qc a c(T T0)F
热量传递的三种基本形式/热辐射
• 定义
– 物质受热后，内部原子震动而出现的一种电 磁波能量传递。
• 遵循定律
– 斯蒂芬-波尔兹曼定律
– 公式： Q cT 4
– 建立在“经验”、“技艺”基础上
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 解决方法
– 热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下，通 过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料的热 加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后组织、 性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计
• 热加工过程模拟的意义
2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的意义
• 热加工过程的结果
– 成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于最 佳状态
• 热加工工艺设计
– 根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺， 指导材料的热加工过程
• 热加工工艺设计存在的问题
– 复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间接 测试也十分困难
材料加工过程的数值模拟
第二章：温度场数值模拟
教学目的
• 掌握基本的传热知识 • 了解热加工过程模拟的研究现状和发展
趋势 • 了解传热问题的数值计算方法 • 掌握实际热加工过程温度场数值模拟的
基本步骤
• 传热学
先修课程
• 高等数学
• 线性代数
• 数值分析
• 热加工基本理论
• 材料基础知识
• 铸件凝固过程数值参模拟考，书陈海目清等，重庆大学出 版社，1991（TG21-C4-2） • 焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社，
• 等温面 • 等温线
热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位 移时，依靠分子、原子及自由电子等微 观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：Q F T x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n
• 70年代（扩展）
• 更多的国家加入 • 扩展到锻压、焊接和热处理
• 80年代以后（迅速发展）
• 1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟 国际会议
• 1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会
• 目前（成为研究热点）
• 国家攀登计划 • 973基础研究计划
2-1 热加工过程模拟的研究现状
= –d qx ·dy ·dz ·d 同理： dQy = –d qy ·dx ·dz ·d
dQz = –d qz ·dx ·dy ·d
导的数学描述
微元体中总的积蓄热量：
dQ= dQx + dQy + dQz
= –(d qx ·dy ·dz ·d +d qy ·dx ·dz ·d
+ d qz ·dx ·dy ·d )
• 重视提高数值模拟的精度和速度 • 重视精确的基础数据获得与积累 • 与生产技术其他技术环节集成，成为先
进制造技术的重要组成
– 与产品设计系统集成 – 与零件加工制造系统集成
2-1 热加工过程模拟的研究现状
• 铸造
部分商业软件
– PROCAST, SIMULOR
• 锻压
– DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE