材料数值模拟——温度场模拟
铸造过程的模拟仿真技术及在发动机零部件设计上的应用
热应力数值模拟
铸锻材料与工艺研究所
铸件凝固过程中的热应力数值模拟涉及凝固 过程复杂的传热分析、随温度和组织变化的力学 模型、铸件和铸型之间的相互作用和热裂的发生 等。
铸件热应力模拟可以预测铸件凝固过程中应 力和变形的动态变化，在此基础上进行热裂的预 测，并对铸件残余应力和残余变形进行分析，为 铸件尺寸精度控制提供依据。
化技术可以有效地发现铸件可能产生缺陷的位置
和种类，从而指导工艺人员采取恰当的工艺措施 加以避免。
ห้องสมุดไป่ตู้
发动机工程研究院
铸造过程的模拟仿真技术
铸锻材料与工艺研究所
通过数值模拟的应用，可以分析铸件中存在
的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施 来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量 的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的 周期，增强产品的市场竞争能力。
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数值模拟： 在计算机上实现的一个特定的计算，通
过数值计算和图像显示，履行一个虚拟的物 理实验—数值试验。
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有限元法
铸锻材料与工艺研究所
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有限元法
铸锻材料与工艺研究所
有限元法（FEM-finite element method）
横浇道
压铸压射速度----压室内冲头推动金属 液时的移动速度。
慢压射速度----通常包括冲头越过浇料 口这段行程。一般为0.1~0.5m/s。
快压射速度----确定内浇道截面积、内 浇口速度，然后根据压室直径得到。
直浇道
内浇道
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铸件充型过程（流场）数值模拟
排溢系统----熔融金属在填充型腔过程中，排除型 腔内的气体、涂料余烬以及流动金属前沿的冷金 属的通道和处所。
基于ProCAST软件的铝合金刹_省略_盘零件离心铸造凝固过程温度场模拟_王雪峰
146
104.7
63.5
5
39.6
c1
c2
c7
c6 c5
c4
c3 m1
m2
图 12 拟取样的点的位置
模 具 水 冷 面 较 近 的 m1 从 t=0s 时 开 始 降 温 ， 温 度 降低速度随时间增加而减小； 离模具底面 （空冷 面 ） 较 近 的 m2 从 t=0s 时 开 始 升 温 ， 温 度 升 高 速 度 随 时 间 增 加 而 减 小 ， 直 到 t=110s， 温 度 升 高 至 501℃ 时 开 始 降 温 ， 温 度 降 低 速 度 随 时 间 增 加 而 增 加 ， 直 到 t=145s 时 ， 以 约 0.3℃/sec 的 速 度 匀 速下降。
点 击 进 入 三 维 网 格 划 分 模 块 。 点 击 Tet Mesh， 点 击 Generate Tet Mesh 产 生 三 维 网 格 。 然 后另存为 *.mesh 文件。
用 同 样 的 办 法 划 分 上 下 模 ， 最 后 将 三 个 *. mesh 文件合并起来。
这 里 ， COINC 表 示 coincident interface， 软 件 会将这样的界面上的节点加倍， 以表示界面两侧 是不同的材料； DB Entry 8 设置 了界面换热 系数， 在 《热物理性能手册》 中查找。
2-150°
φ110 φ164 φ292 图 1 零件图
图 2 带浇铸系统的零件三维模型 直浇道在中间， 由六条内浇道注入型腔。
1.2.2 模具的三维模型 设模具如图 3 所示。
1 产品零件图及模具设计
1.1 零件图 零件特点是： 中空、 轴对称的盘状件。 由此
设计浇铸系统和模具。 1.2 在 UG 中建立三维模型 1.2.1 带浇铸系统的零件
稳态ansys热分析数值模拟
稳态热分析数值模拟实例1——短圆柱体的热传导过程1、问题描述有一短圆柱体，直径和高度均为1m，其结构如图7.1所示，现在其上端面施加大小为100℃的均匀温度载荷，圆柱体下端面及侧面的温度均为0℃，试求圆柱体内部的温度场分布（假设圆柱体不与外界发生热交换，圆柱体材料的热传导系数为30 W/（m•℃））。
图7.1 圆柱体结构示意图2、三维建模应用Pro-E软件对固体计算域进行三维建模，实体如图7.2所示：图7.2 圆柱体三维实体图3、网格划分采用流动传热软件CFX的前处理模块ICEM对计算域进行网格划分，得到如图7.3所示的六面体网格单元。
流场的网格单元数为640，节点数为891。
图7.3 圆柱体网格图4、模拟计算及结果采用流动传热软件CFX稳态计算，定义圆柱体材料的热传导系数为30 W/(m•℃)，求解时选取Thermal Energy传热模型。
固体上壁面的边界条件设置为100℃的温度，侧面和下壁面边界条件为0℃的温度。
求解方法采用高精度求解，计算收敛残差为10-4。
图7.4为计算得到的圆柱体中心剖面的温度等值线分布图。
数据文件及结果文件在steady文件夹内。
图7.4 圆柱体中心剖面的温度等值线分布瞬态热分析数值模拟实例详解实例1——型材瞬态传热过程分析1、问题描述有一横截面为矩形的型材，如图7.5所示。
其初始温度为500℃，现突然将其置于温度为20℃的空气中，求1分钟后该型材的温度场分布及其中心温度随时间的变化规律（材料性能参数如表7.1所示）。
表7.1 材料性能参数密度ρkg/m3 导热系数W/(m•℃)比热J/(kg•℃)对流系数W/(m2•℃)2400 30 352 110图7.5 型材横截面示意图2、三维建模应用Pro-E软件对固体计算域进行三维建模，实体如图7.6所示：图7.6 型材三维实体图3、网格划分采用流动传热软件CFX的前处理模块ICEM对计算域进行网格划分，得到如图7.7所示的六面体网格单元。
焊接数值模拟技术
对流换热问题数学描述
（1）换热微分方程
T
T y
y0
α—对流换热系数 （2）连续性方程 单位时间流入、流出微元体质量相等。 （3）动量微分方程 作用于微元体表面和内部所有外力的总和， 等于微元体中流体动量的变化率。
（4）能量微分方程 由导热进入微元体的热量与由对流进入微元 体的热量之和等于微元体中流体的热焓增量。 Q1 + Q2 = △H
h界面换热系数3对称轴表示径向conv焊接熔池传质传热数值模拟研究主要成果1熔池内液体金属流动影响焊接熔深熔池的表面张力影响液体金属流动1如随温度升高表面张力增加则焊接熔深大2如随温度升高表面张力减小则焊接熔深浅2焊接电流线发散增加熔深3浮力对熔池内流体流动的作用较小4熔滴对熔池的冲击力对熔深影响较小5焊接热源导致熔池表面金属蒸发对熔池表面温度的影响1激光焊接熔池表面金属蒸发是影响熔池表面温度分布的主要原因2一般电弧焊表面张力引起的对流是影响温度的主要原因2
{ T(t)}—未知节点温度列向量； { F(t)} —节点温度载荷列向量； [KT] —整体温度刚度矩阵； [C] —整体变温矩阵
（2）边界条件和初始条件
G F
电极计算界面
电: U U(I , R) 热: T T o
水冷通道
电 : U / n 0 热 : T / n h ( T T ) w
V
T（r，z）—温度函数； qV—单位体积单位时间内热源生成热量
λ—热导率，CP—比热容，ρ—密度
内热计算
1 1 U U 2 2 q UU [ ( ) ( ) ] V r z E E
3）有限元数学模型
整体组集方程式
T () t [ C ] [ K ] T () t F () t T t
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文
《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着科技的发展，焊接技术作为制造行业中的关键工艺之一，其质量和效率直接关系到产品的性能和寿命。
因此，对焊接过程中的温度场和应力分布进行精确的数值模拟显得尤为重要。
ANSYS作为一种功能强大的工程仿真软件，被广泛应用于焊接过程的数值模拟。
本文将基于ANSYS，对焊接温度场和应力进行数值模拟研究，以期为实际生产提供理论依据。
二、焊接温度场的数值模拟1. 模型建立在ANSYS中建立焊接过程的有限元模型，包括焊件、焊缝、热源等部分。
其中，焊件采用实体单元进行建模，焊缝则通过线单元进行描述。
热源模型的选择对于模拟结果的准确性至关重要，应根据具体的焊接工艺选择合适的热源模型。
2. 材料属性及边界条件根据实际材料，设定焊件和焊缝的热导率、比热容、热扩散率等物理参数。
同时，设定初始温度、环境温度等边界条件。
3. 数值模拟过程根据焊接过程的实际情况，设定加载步和时间步长，模拟焊接过程中的温度变化。
通过ANSYS的热分析模块，得到焊接过程中的温度场分布。
三、焊接应力的数值模拟1. 耦合分析焊接过程中，温度场的变化会导致应力的产生。
因此，在ANSYS中，需要将在热分析中得到的温度场结果作为应力分析的输入条件，进行热-结构耦合分析。
2. 本构关系与材料模型根据材料的本构关系和力学性能，设定材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。
同时，选择合适的材料模型，如各向同性模型或各向异性模型。
3. 应力分析通过ANSYS的结构分析模块，结合耦合后的温度场结果，进行应力分析。
得到焊接过程中的应力分布和变化情况。
四、结果与讨论1. 温度场结果分析通过ANSYS的后处理功能，可以得到焊接过程中的温度场分布图。
分析温度场的分布情况，可以了解焊接过程中的热传导和热扩散情况，为优化焊接工艺提供依据。
2. 应力结果分析同样，通过后处理功能可以得到焊接过程中的应力分布图。
分析应力的分布和变化情况，可以了解焊接过程中产生的残余应力和变形情况。
大型多晶硅还原炉的温度场模拟
与变形等进行多工况的分析计算，提高其自主设计的多晶硅还原
以某公司 500t 多晶硅还原炉为原型，建立实时特性仿真平
炉的结构可靠性及运行过程中的最佳冷却水量控制，为该产品进 台。通过对多晶还原炉的全三维温度场模拟分析，深入了解其复
行国产化过程中的创新设计奠定基础。
杂的内部温度分布，预测性能，指导辐射域和冷却系统的优化设
（2）
R
R
qv（r軆）～qv（r軆 +dr軆）
（3）
对方程（1）从边界面出发，沿辐射行程积分。若沿着射线行
程，那么，对于 Iv，有：
I（v r軆，s軆）=Ivoexp（-（Kav+Ks）v s）+Ib（v 1-exp（-Kas））+KsvIv
（4）
式中：Ivo—射线行程起始点的辐射强度，它由相应的边界条件确
多晶硅还原炉的温度温度场分布是指导其优化设计的重要 计，避免繁琐的模型试验，降低设计研发成本。同时也为下一步的
参考之一。然而工作环境的高温高压，所以对其结构的合理设计、 “热－结构”应力与变形等进行多工况的分析计算提供相关依据和
材料的选择以及能源经济性都要有相应的考虑。同时其结构的复 参考。
＊来稿日期：2008-06-16 ＊基金项目：四川省教育厅自然科学基金重点项目（07ZA116），四川省科技支撑计划重点攻关项目（2008GZ0072）
散，针对控制方程的特点，连续性方程，动量方程，能量方程，湍动
能方程和湍动能耗散方程均采用 High resolution 格式离散计算，
求解器使用全隐式多网格耦合求解，同时求解方程组，加上多网
格技术，提高了 CFX 的计算速度和稳定性。
硅棒辐射参数为：发射率 0.4。反射率 0.6。考虑反应中的对壁 面辐射率的影响，内夹层壁面的辐射率设置为：发射率 0.7，发射 率 0.3。专家系数选择 topology estimate factor，设置为 1.2。
基于有限元理论木材温度场的数值仿真
磐＋ ＋ ０ 絮 ：
ｎ
（ １ ）
的复杂的几何条件和边界条件 ，而有限元方法使用 公式 方法 ，不 必建 立 系统 的代数方 程组 ，并 且假设
代表 每个 元素 的近 似 函数是 连续 的 ，假 设元 素 间的
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｔ ｌｍ ｎ ；ｗ ｏ ｍｐ ｒ ｔｒ ｅｄ ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｉ ｅ ｅｅ ｉ ｎ ｅ ｔ ｏ ｄ ｔ ｅ ａｕ ｅｆ ｌ ；ｎ ｍｅ ｃ ｌｓ ｅ ｉ ｉ ｍｕ ａ ｏ ｉ
１ 引 言
热 分析 的有 限元算 法 。该算 法是 建立在 木材 热物性
文献标识码 Ｉ Ａ
文章编号 ：１０ —０５ （Ｏ ７ １ ０ ｌ ｏ ０ １ ０ Ｘ ２０ ）０ —０ １ — ４
Ｎ ｎ ｒ ａ ｉ ｕａ ｏ ｆ ｏ ｅ ｍｍｔｒ ｉ ｄ Ｂ ｓｄｏ ｈｉ ｌ ｎ ｈ ｏ ｙＺ ｅｇＳ ｉ ａ ｇ Ｃ ｏＪｎ（ ｏｔ ｍ ｅｉ ｌ ｍ ｌ ｉｎ ｏ Ｗｏ ｄ Ｔ ｍｌ ｕ ｅＦ ｅ ａｅ Ｆ ｌ ｅ ｅ ｔ ｃ ｒ ／ ｈｎ ｈｑ ｎ ， ａ ｃ Ｓ ｔ ｌ ｎ ｔ Ｅ ｍｅ Ｔ ｉ ｕ Ｎｒ・ ｈ
料 ，其 内部构 造 的多样性 ，造 成材质 上 的不均 质性 ， 树木形成层 的生长机制也造成木材 的异 向性Ⅲ。 本研 究 是 用 数 值 方 法 仿 真 木 材 中 的 温 度 场 分 布 ，针 对木 材 的热各 向异 性 ，对木 材 的热传 递进行 稳态计 算 。 由于木 材在热 处理 时纵 向温 度场 变化 相
ｔ 一４ ２ ．ｗ ｉｈ ｃ ｕｄ ｍｅ ｔ ｅ ｄ ｍａ ｄ ｆｅ ｇｎ ｅ ｎ ａｃ ｌｔ ｎ ｌ ｓｍｅ ｏ ａ ｌｏ ｖ ｌ ａ ｅ ｙｔ ｅ ｒｓ ｌ ． ｏ ．％ ｈ ｃ ｏ ｌ ｅ ｅ ｎ ｏ ｎ ｉｅ ｒ ｃ ｌｕ ａ ｏ ．＂ｆ ｔ ｄ ｗ ｓ ａｓ ａｉ ｔ ｂ ｅ ｕｔ ｈ ｔ ｓ ｉ ｇ ｉ ｉ ｔ ｈ ｄ ｄ ｈ ｓ
材料成型的数值模拟
塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法
工程法（Slab法，主应力法） 滑移线法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限单元法（UBET) 有限单元法（FEM,Finite Element Method）
• 实验/解析法
相似理论法 视塑性法 • 数值法 有限元法 有限差分法 边界元法
3.教学软件：
Deform Dynaform Marc
4.教学内容：
基本内容包括：有限元与有限差分法基础、应用数值方法模拟材料成形的一般步骤，金属冲 压成形中的数值模拟，金属锻压成形中的数值模拟，金属焊接成形中的数值模拟等。 课程重点：金属冲压、锻压、焊接成型过程的数值模拟。 课程难点：非线性有限单元法、刚（黏）塑性有限元法、数值解的解的收敛性与误差控制、 热力耦合分析。
协同工作
模拟结果与设备控制的关联
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
1.教材：
傅建主编. 材料成形过程数值模拟.化学工业出版社，2009
2.参考书目：
① 刘劲松;张士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的应用.中国水利水电出版 社,2010
材料成型数值模拟
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
塑性加工研究的两类方法 • 金属塑性成形
优点： • 生产效率高 • 产品质量稳定 • 原材料消耗少 • 有效改善金属的组织和力学性能 75％的钢材 缺点： • 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法 70％的汽车零部件