基于ANSYS的温度场模拟
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基于ANSYS的温度场模拟
作者：欧青华
来源：《西部论丛》2018年第07期
1 引言
传统的针对军用装备的焊接维修方式已经明显不能适应现代战争的需要，战争对装备的毁坏是巨大的，因此，需要在技术上有大幅度提高，保证维修过程的迅速准确。随着现代科技的发展，数学模型和数值模拟技术的应用越来越广泛。倘若对工程装备的焊接能够通过计算机进行模拟，我们就能够通过计算机系统来确定焊接的最佳设计、最佳参数和最佳工艺。
通过数值模拟可以在很大程度上节约战场人力、物力和拓展战场时间，特别是面对复杂的大型军用装备，该类型军用装备结构复杂，焊接过程中需要更精确的参数，随着计算机技术的发展以及有限元法的建立，越来越多的焊接工作者利用数值模拟技术研究焊接问题，并取得了丰富的成果。
本文在总结前人工作的基础上，全面系统地论述了焊接温度场的基本理论，并应用有限元分析软件ANSYS对平板堆焊温度场进行了军用工程机械数值模拟计算。本文主要内容为：
1.通过对高斯热源的焊接温度场进行模拟，讨论了焊接参数对温度场的影响。
2.用直接法模拟计算焊接温度场，得出最佳参数。
军用工程机械焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化工艺参数，从而减少不必要工作，提高焊接质量和效能。
2 有限元分析的理论基础
有限元法（Finite Element Method， FEM），又称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机技术的发展而迅速发展起来的一种新型现代计算方法。
2.1 有限元法介绍
将物理结构分割成不同类型、不同大小的区域，这些区域就称为单元。根据不同进行科学分析，推导出每一个单元的作用力方程，集成整个结构的系统方程，最后求解该系统方程并得出结论的方法，就是有限元法。简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系，将所有力和位移都进行简化，通过节点进行计算。对每个相应单元，选取合适的插值函数，使得该函数在子域内部、自语分界面上以及子域与外界分界面上都龙源期刊网
满足一定的条件。然后将所有单元的方程组合起来，得到整个结构的方程。求解该方程，最终可以得到结构的近似解。
离散化是有限元方法的理论基础。必须根据结构的实际情况，决定单元的数目、类型、大小、形状以及排列方式。其目的是：将整个结构分割成足够小的单元，使得简单位移模型足够近似地表示精确解。注意，又不能太小，否则计算量很大。
2.2 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件。能够进行包括结构、声、热、流体、电磁场等科学的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、日用家电等各个领域有着十分广泛的应用。ANSYS总共包括100多个单元，提供了对各种物理场量的分析功能，可以将其应用到如下学科：
ANSYS的设计优化功能可以优化任何方面的约束变量和设计变量，如形状、应力、自然频率、温度、磁势、压力、速度或离散量等，并可进行参数、形状、拓扑优化。
ANSYS软件主要包括以下三个部分：
1.前处理模块，前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
2.分析计算模块，分析计算模块包括可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
3.后处理模块，后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
2.3 焊接有限元模型的简化
焊接是涉及到电弧物理、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、焊接应力与变形等等。它们之间的相互关系如图3.1所示。
图中十分强调相变行为的影响，并显示出有限元分析中基本输入和输出参数。在焊接热力学模拟时，通常着重考虑温度场、应力、变形及显微组织之间相互影响，而忽略其它因素，因此图3.1可简化为图3.2。图3.2中箭头表示是相互的影响：实线箭头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响。 龙源期刊网
从图1.2可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度場和金属显微组织，而焊接应力应变场对温度场和显微组织的影响却很小，所以在分析时，一般仅考虑单向藕合问题，即焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而不考虑应力场对它们的影响。但如果焊件的应力应变大到影响焊件温度场分布，就不得不考虑双向耦合了，本文研究焊接温度场和应力应变场双向耦合的条件下进行计算。此外，金属相变对焊接温度场有影响，但影响不是很大，因为考虑相变潜热对其温度场的影响较容易，所以本文考虑它对温度场的影响。
3 焊接温度场模拟
根据前文可知焊接过程温度场分析是属于瞬态热分析范畴，其应力分析则属于热—力耦合分析。对于焊接的热应力研究，ANSYS提供了三种进行热应力分析的方法：
1、在结构应力分析中直接定义节点的温度如果所有节点温度已知，则可以通过BF ，BFE或BFK命令直接定义节点温度。节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度。
2、间接法首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。
3、直接法使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果。
如果节点温度已知，可直接使用第一种方法，但是节点温度一般很难知道，所以，在大多数情况下推荐使用第二种和第三种方法一一间接法和直接法。在选用直接法和间接法时主要考虑热分析的结果对结构应力分析的影响程度。
（1）间接法可以使用所有热分析和结构分析的功能。如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。一般来说，在热分析结果对应力分析影响比较小的情况下，即主要考虑热分析结果对结构应力分析的影响，而不考虑结构应力分析结果反过来对热分析的影响时，这种单向耦合计算结构应力场选用间接法。
（2）直接法主要用于热与结构的双向藕合，即热分析的结果影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析。这种顺序耦合计算结構应力一般选用直接法。
但在本课题研究中，本文采用了直接法进行数值模拟。
基于ANSYS的焊接过程模拟主要有以下过程：
1、建模包括建立几何模型、确定材料的特性参数、网格划分
2、边界条件的处理包括建立几何约束条件、环境条件的处理 龙源期刊网
3、确定移动热源包括确定移动热源模型及加载
4、确定载荷步骤包括加热过程中的载荷时间步长及冷却过程中时间步长处理
本文根据上述的步骤通过下图的模型对基于ANSYS焊接数值模拟中的关键技术进行了阐述。由于计算机硬件条件的限制，计算中试件的尺寸选的较小。
工件尺寸为120mm x 120mm x 6mm，材料为25#钢，电弧中心在KI线上沿X方向移动。实际模型简图如图1.3所示。
焊接参数如下：
电弧电压U=25V；焊接电流I=180A；焊接速度=10mm/s；
焊接热效率η=0.75；电弧有效加热半径R=6mm。
3.1 几何模型的确定
一般地，在焊接过程中，焊接熔池、被焊工件之间甚至被焊工件与焊嘴之间均发生着剧烈的物理、化学反应，其间包括焊接熔池中的流体动力学和热过程，热源与金属间的相互作用，焊缝金属凝固和焊接接头的相变过程。每种现象互相关联但又各自自成一体，而具体到本文的内容则着重分析焊接结构的温度场的瞬态变化情况。因而，在进行仿真分析时，应该弱化处理甚至不处理那些对温度场影响微弱的因素。例如，针对焊接熔池中的流体动力学和热过程，可以仅考虑熔池内部液态金属对流传热对熔池形状的影响结果，而对其中液态金属具体如何流动以及表面张力梯度如何变化等问题不做细致分析。
另外，考虑到厚板三维模型网格划分后其单元数量庞大，使得计算时间过长：材料物理参数的严重非线性导致求解过程收敛困难；焊接过程影响了数值模拟的精度等诸多因素，需对分析模型进行适当简化处理（例如减小模型尺寸），并作如下的假设：
1.焊件的初始温度为室温（25℃）；
2.忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流等现象；
3.焊接以恒定速度V进行，电弧的能量密度服从高斯分布；
4.不考虑焊件与实验台之间的热传导，假设焊件的所有外边界仅与空气发生对流换热，将辐射换热的影响祸合到对流换热中，而不作单独考虑；
5.忽略焊条与母材材料的不一致性，对应统一的随温度变化的热物性参数。 龙源期刊网
在ANSYS中，如果分析对象呈对称的几何形状，并且所受载荷也对称，则可考虑只计算模型的一部分，并且在对称点、面、线或面上施加对称边界条件。本文所研究的是同种工件的对接焊，工件形状及其载荷均沿焊缝对称故而，可以只考虑对其中的一半建模。
3.2 焊接温度场结果分析
下面是焊接过程的各时间段的温度场分布云图。其中图1.5-1.8为加热过程的温度场分布云图，图1.9-1.12为冷却过程的温度场分布云图。
从图1.5-1.8的焊接加热过程的温度场分布云图上我们可以看到，加热开始一段时间内，温度很不稳定，而且焊件升温迅速。经过一段时间后，焊件上会形成准稳定温度场，即焊件上各点的温度虽然随时间变化，但各点固定的温度跟随热源一起移动。可以清楚地看到，进入准稳定状态后，温度云图上的等温线形状呈现为以焊接方向为长轴的四分之一近似椭圆形，焊接热源前方等温线密集，温度梯度大，后方等温线稀疏，温度梯度小。
从13s后，焊件进入冷却阶段，焊件的温度下降很快，等温线的范围不断扩大，最后各点温度逐渐趋于环境温度。
4 本文小结
本文主要在军用工程机械焊接中引入的有限元方法进行了简单的介绍，对装备维修中涉及的焊接模型进行了简化，利用ANSYS强大的后处理功能对不同时刻的焊接温度场分布情况进行了分析，准确掌握了各个阶段的合理数值，为今后从事军事装备焊接研究提供了方向，为进一步提高军事装备的作战能力奠定了一定的技术基础。
基于ANSYS平台的不同焊接工艺参数对管线钢焊接温度场的模拟研究
焊管．第３０卷第２期．２００７年３月 ●试验与研究 基于ＡＮＳＹＳ平台的不同焊接工艺参数
对管线钢焊接温度场的模拟研究
张 宏，陈 鹏 （西南交通大学焊接研究所，成都６１００３１）
摘要：针对管线钢焊接，根据材料热物理性能参数、相变潜热与温度的非线性关系，建立了 焊接过程的数学模型和物理模型。利用ＡＮＳＹＳ软件的ＡＰＤＬ语言编写程序，实现了在移动热 源载荷下的焊接有限元计算，分析对比了不同焊接工艺参数对焊接温度场的影响程度。 关键词：管线钢；有限元；焊接温度场；ＡＰＤＬ 中图分类号：ＴＧ４０２文献标识码：Ａ文章编号：１００１—３９３８（２００７）０２—００３３—０３
焊接热过程的准确计算是焊接冶金定量计 算、焊接应力应变分析和焊接过程自动化控制的 前提。焊接热过程取决于外加热源的分布形式、 材料的热物理性能以及材料与周围的换热等因 素。经典的雷卡林公式以点、线、面分布热源来模 拟各种焊接热源，有一定的局限性。焊接过程数 值模拟的早期研究一直停留在二维水平上，近年 来，随着计算机技术和有限元技术的发展，焊接过 程三维数值模拟的研究成为该领域的研究前沿。 但是由于焊接过程的复杂性，焊接过程的三维数 值模拟仍停留在以典型接头作为研究对象，在实 际应用中有较大的局限性。影响数值模拟技术在 实际生产中应用的主要原因是计算时间过长或计 算精度不高，这主要是下列因素造成的＿１ｊ：①焊 接结构三维模型中自由度数目庞大；②严重的材 料非线性导致求解过程的收敛困难；③高温区的 存在使得控制数值模拟的精度和稳定性存在一定 的困难；④缺乏材料的高温热物理参数。笔者针 对以上问题对管线钢三维焊接温度场进行了数值 模拟，得出了管线钢焊接过程的温度场和热循环 曲线，分析对比了不同焊接工艺参数对焊接温度 场的影响程度。 １焊接温度场数学模型的建立
三维非线性瞬态热传导问题的控制方程为 ＯＴ＝ ｏ（ｏｒ）＋ （Ａ ＯＴ）＋ （Ａ ＯＴ）＋一Ｑ， （１） 式中：Ｐ为材料的密度；Ａ，ｃ为材料的导热系数和 比热容，它们都是温度的函数；一Ｑ为内热源强度。 焊接温度场的计算通常用以下两类边界条件： （１）已知边界上的热流密度分布 Ａ＝ ｎ ＋＾ｏｄｖｒ，＋ａ ＯＴｎ：＝ｇ（ ，ｙ，ｚ， ）；（２） （２）已知边界上的物体与周围介质的热交 换 Ａ ０－ －Ｔｎ＋Ａ Ｏ Ｔｎ ，（３） 式中：ｇ为单位面积上的外部输人热源；ｈ为表面 换热系数； 为周围介质温度；ｎ ，ｎ 和ｎ：为边 界外法线方向的余弦。
基于ansys的钉头管自支撑换热器温度场分析
静设备 石油化工设备技术，２００７，２８（１）・２５・ Ｐｅｔｒｏ—Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
基于ａｎｓｙｓ的钉头管自支撑换热器温度场分析 刘剑桢，江 楠 （华南理工大学工业装备与控制工程学院，广东广州５１０６４０） 摘要：在自行开发的“钉头管自支撑式换热器”的基础上，进行了管蒸汽、壳空气的试验研究，并基于 ａｎｓｙｓ的有限元分析法，采用迭代方法对传热过程进行了模拟，得到了在基管恒壁温条件下，传热管的温度场 分布云图、基管的温度曲线以及钉头纵向和径向的温度分布。结果表明：计算机模拟与实验结果相吻合，从 本质上直观地揭示了钉头管自支撑式换热器壳、管间的温差分布和钉头以及钉头分布对于强化传热的影响， 直观地反映了热量的传递梯度。 关键词：钉头管；有限元分析；温度场分析 中图分类号：ＴＥ９６９文献标识码：Ｂ文章编号：１００６—８８０５（２００７）０１—００２５～０３ 传热学是一门研究热量与物质在势差作用下 的传递规律的基础学科，强化传热则是传热学研 究的一个重点。在强化传热的研究中，主要从以 下几方面展开：第一，传热机理。这类研究主要是 从传热的基本原理方面找到突破，是近年研究的 一个热点，例如短管的再研究；第二，导热材料。 由于各种不同材料的导热系数不一样，对强化传 热有直接的影响；第三，传热管结构。对于传热管 结构的研究，从初始的试验研究、经验公式到现在 的数字模拟，已经有了大量的文献资料，然而对于 某些结构的数值模拟还不很完备，例如本文试 验 中使用钉头管与光管组成的自支撑结构。本 试验采用这种结构，利用传统的试验方法，得到钉 头管强化传热的各项参数以及检验公式，证明了 这种钉头管自支撑结构的壳程强化作用。 本文以上述试验为基础，采用ａｎｓｙｓ分析软 件，对试验中所使用的钉头管进行了单根模拟，利 用试验所得到的各项数据，分析得到了钉头管传 热温度场效果图，将钉头对传热管的强化效果直 观的反映出来，并初步探讨了钉头的分布、长径比 对于强化传热的影响，对钉头管自支撑换热器的 结构优化有一定的参考价值。 １ 试验用传热管结构简介 １．１结构几何尺寸 自支撑式钉头管换热器试验装置（见图１）结 构包括钉头管换热器、支承装置和温度测量机构 三部分。换热器由筒体和换热管组成，筒体为１０ 号无缝钢管，两端由法兰密封，换热器管束由钉 头管（见图２）和光管两部分按照正三角形排列组 成。换热器的结构参数见表１。
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析
基于ANSYS的感应加热数值模拟分析
一、引言
感应加热是一种常见的加热方式，利用电磁感应原理将电能转化为热能，广泛应用于金属加热、焊接和熔化等工业领域。然而，传统试验研究在实践过程中往往需要大量时间和成本，同时无法全面考虑材料性质和结构参数的变化对加热过程的影响。因此，基于计算机数值模拟方法进行感应加热分析成为一种有效的替代方案。
二、数值模拟方法与ANSYS软件
数值模拟方法是基于数学模型和计算机技术，通过离散化处理对实际问题进行数值求解的方法。在感应加热领域，有限元方法是常用的数值模拟方法之一。有限元法将复杂的物理问题离散化为一个由节点和单元组成的网格，通过求解节点处的未知量，如温度、电场和磁场等，来求解整个问题。
ANSYS软件是当前广泛应用的有限元分析软件之一，具有强大的建模、网格生成和求解功能。利用ANSYS软件进行感应加热数值模拟分析，可以较为准确地预测温度场、电场和磁场分布，并分析加热过程中的热传导和热辐射等物理现象。
三、建模与网格生成
在进行感应加热数值模拟分析前，首先需要建立待分析的几何模型。利用ANSYS软件的建模工具，可以灵活地定义模型的形状、尺寸和材料属性等。在建模过程中，应当充分考虑工件的几何形状和加热目标，并确保模型的几何参数与实际情况一致。
建立几何模型后，需要进行网格生成。网格的质量和密度对数值模拟的准确性和计算效率起到重要影响。ANSYS软件提供了多种网格生成方法和优化技术，根据模型的复杂程度和计算要求，选择合适的网格生成方法。通常，对于快速加热过程，可以采用较为粗糙的网格；而对于热传导过程较为敏感的问题，需要采用更加精细的网格。
四、物理场求解
通过ANSYS软件建立几何模型和生成网格后，可以进行物理场求解。物理场求解是根据材料性质、边界条件和激励方式等，对模型进行求解，并获得预期的温度场、电场和磁场分布等信息。
基于Ansys的永磁同步电机温度场分析
第２５卷第２期 ２０１３年５月 宁德师范学院学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｄｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖｏｌ＿２５Ｎｏ．２ Ｍａｙ２０１３
基于Ａｎｓｙｓ的永磁同步电机温度场分析
颜文悦 ，
（１．福州大学电气工程与自动化学院，福建福州３５０１０８；２．宁德师范学院，物理与电气工程系福建宁德３５２１００）
摘要：利用Ａｎｓｙｓ￣－ｆ限元分析软件对永磁同步电机的平面二维模型进行温度场分析，将分析得到的结果与理 论计算结果进行比较，寻找出一种有效的计算电机温度场的方法． 关键词：永磁同步电机；Ａｎｓｙｓ软件；瞬态热分析；温度场 中图分类号：ＴＭ ３４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—２４８１（２０１３）０２．０１３８．０３
近些年来，由于永磁同步电机在工农业的生产生活中应用越来越广泛，关于永磁同步电机的各类问
题也越来越引起人们的重视．由于电机的应用逐渐广泛，电机的负载逐渐增大，电机运行时的损耗也逐渐
增加，导致电机内部温升也同时增大．而过高的温升容易使得电机部件出现过早老化的现象，所以电机内
部温升是电机设计中必须考虑的参数．因此，电机的发热问题也引起了人们的重视．但是由于电机内部结
构复杂、磁场分布不均匀等因素，使得人们对于电机内部温度场分布的认识大多停留于公式计算出的电
机温升得平均值，而没有具体到电机的温度分布规律．但利用Ａｎｓｙｓ有限元分析软件，可以模拟出电机内
部温度场的分布情况，从而解决这一问题．本文通过Ａｎｓｙｓ软件中的热分析模块，对实际电机温度场进行
二维分析，得出温度分布云图，模拟电机在运行过程中温度场分布隋况．
１电机材料和热参数选取
１．１电机的材料选取
为了便于比较仿真结果和真实电机温度分布情况，本文采用实际电机与仿真结果进行对比，选取的
电机各部分材料如下：定子冲片：硅钢板５０Ｗ４７０；定子线圈：ＱＺ（Ｇ）一２／１５５；永磁体：ＮｄＦｅＢ（３５ＳＨ）；转子
基于ANSYS电火花线切割加工的温度场分析
《电加工与模具｝２００８年第６期 设计・研究
基于ＡＮＳＹＳ电火花线切割加工的温度场分析
程国柱，刘志东，田宗军，黄因慧，李建军
（南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，江苏南京２１００１６）
摘要：建立了电火花线切割加工单脉冲放电模型，并利用有限元法分析了对４５钢进行单脉冲
放电时的温度场。分析了单脉冲情况下的放电凹坑形貌；探讨了放电参数对切割表面形貌及表面
质量的影响；指出凹坑深度与脉宽和加工电流之间的关系并与实验数据进行对比。通过温度场的
分析阐述了变质层的形成区域及变质层厚度与电流之间的关系。
关键词：电火花线切割加工；有限元；变质层；温度场
中图分类号：ＴＧ６６１
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ｉｎ ＷＥＤＭ
Ｃｈｅｎｇ Ｇｕｏｚｈｕ，Ｌｉｕ Ｚｈｉｄｏｎｇ，Ｔｉａｎ Ｚｏｎｇｊｕｎ，Ｈｕａｎｇ Ｙｉｎｈｕｉ，Ｌｉ Ｊｉａｎｊｕｎ
（Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００１６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍｏｄｅ１ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｐｕｌｓｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ
（ＷＥＤＭ），ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ４５一ｓｔｅｅｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｕｌｓｅ ｄｉｓ—
ｃｈａｒｇｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｃａｖｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｕｌｓｅ；ｉｔ ｉｓ ｄｉｓ—
ｃｕｓｓｅｄ ｈｏｗ ｔＯ ａｆｆｅｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｕｓｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，Ｔｈｅ
基于ANSYS模拟激光焊接温度场的后处理研究
Ｗｅｌｄｉｎｚ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２００７ ・试验与研究・ １９ 文章编号：１００２—０２５Ｘ（２００７）０１－００１９—０３ 基于ＡＮＳＹＳ模拟激光焊接温度场的后处理研究
郑相锋，王庆，牛晓光 （河北省电力研究院锅检所，河北石家庄０５００２１）
摘要：利用有限元数值模拟方法计算了激光加热镀锌钢板的温度场分布，采用多软件综合使用得到了ＡＮＳＹＳ￣Ｌ法得到的各种热循环图 和重要图例数据．丰富了该软件的后处理数据显示功能，从而对实际的激光加热工艺起指导作用。 关键词：ＡＮＳＹＳ；数值模拟；温度场；二次开发 中图分类号：０２４２．１：ＴＧ４０ 文献标识码：Ｂ
ＡＮＳＹＳ是大型通用有限元软件之一。它具有自动网格划 分功能。尤其是自适应网格划分技术，并且可以进行二次开 发．对于处理焊接温度场的数值模拟具有独特的优势；它的强 大的非线性分析功能。可以有效地模拟焊接非线性过程；其后 处理器可以很方便地将计算结果进行彩色等值图、矢量图和梯 度图等多种图形直观显示。由于ＡＮＳＹＳ的以上功能及其具有 的可靠性和开放性等特点，应用该软件模拟焊接过程越来越引 起人们的关注。 笔者通过激光加热镀锌板这个简单的实例。展现ＡＮＳＹＳ焊 接温度场数值模拟的全过程．总结基于ＡＮＳＹＳ的激光焊接过 程三维有限元数值模拟的一些关键问题。并利用多个软件 （Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ，Ｗ０ｒｄ，Ｅｘｃｅｌ和Ｏｒｉｇｉｎ）对数值模拟结果进行二 次开发。得到用试验无法或者很难得到的多种热循环曲线和温 度一位置图。笔者提供了一种对ＡＮＳＹＳ后处理分析的解决思 路．可以调出该软件本身无法得到的数据图形。丰富了ＡＮＳＹＳ 后处理功能。
１问题提出 本文要处理的问题是：一块规格为４０ ｍｍ￣４０ ｍｍｘ２ ｍｍ的 收稿日期：２００６＂０７—１９；修回日期：２００６－１２－１１ 基金项目：合肥工业大学科学研究发展基金（０４０３０１Ｆ） 镀锌钢板，在其表面加激光热源且热源呈高斯分布，加载１ Ｓ 以及卸载热源后的温度场的分布和不同位置的热循环曲线以及 温度一位置图，具体参数见表１。 表１试验数据 镀锌钢板的热物理参数 激光热源的试验数据 热参数名称 数值 功率，Ｗ 加热半径／ｍｍ 有效功率系数 对流系数 ｗ・（ｍ ・℃） 】 ３３．５ １５０ １ ｎ５ 密度／（ｋｇ・ｍ ７．６ ２ｏｏ ｌ ０．６ 比热容／［Ｊ・（ｋｇ・℃） ］ ７１４ ２５０ ｌ ０．６ 热导率， ・（ｍ・℃）＿１］ ３４ ３ｏｏ ｌ ０．６
基于ANSYS混凝土箱梁水化热温度场仿真分析
第１１卷第２７期２０１１年９月 １６７１—１８１５（２０１１）２７－６７６０－０３ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１１ Ｎｏ．２７ Ｓｅｐ．２０１１ ＠２０１ １ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
基于ＡＮＳＹＳ混凝土箱梁水化热
温度场仿真分析
宋 晓
（华南理工大学，广州５１０６４０）
摘要基于三维非稳定温度场的理论，应用有限元软件ＡＮＳＹＳ，采用瞬态热分析方法对箱梁２＃块水化热温度场进行仿真分 析，计算各个时段箱梁各布置点的温度场分布，研究其温度的变化规律，结合实测进行对比分析。 关键词瞬态热分析 箱梁 水化热 中图法分类号Ｕ４４８．２１３； 文献标志码Ａ
太平特大桥位于东莞虎门镇太平水道上，主桥
全长４２１ ｍ，跨径为１１３＋１９５＋１１３ ｍ的预应力砼
连续刚构。箱梁采用Ｃ６０砼，半幅桥面宽１９．８５ ｍ，
单箱双室断面，其中箱梁底板宽ｌ２．８５ ｍ，两侧悬臂
翼缘板宽；箱梁根部梁体中心线梁高１２ ｍ，跨中及
端头梁体中心线梁高４．２ ｍ，箱梁梁高采用１．８次
抛物线变化。
图１测点纵向断面示意图 １测试截面及测点
２＃块混凝土体积较大且为一次性浇筑，故选取
２＃中部（图１）截面作为测试截面，截面布置２８个
（图２）温度测点，另外布置两个环境测点，分别测试
大气温度和箱内的温度。混凝土内部的温度量测
采用镍铬镍硅Ｋ型热电耦，配套的读数仪是ｄａｔａ
ｔａｋｅｒ。
图２温箱梁测点布置
２箱梁水化热温度场理论分析
２０１１年６月２３日收到，６月２９日修改 作者简介：宋晓（１９８６一），山东烟台人，硕士研究生，研究方向： ２・１ 瞬态热分析理论
温度效应。
混凝土内部温度场计算的实质是热传导方程 ２７期 宋 晓：基于ＡＮＳＹＳ混凝土箱梁水化热温度场仿真分析 ６７６１
在特定边界条件和初始条件下的求解，整个传热过
程为瞬态传热。三维瞬态温度场的热传导方程为：
基于ANSYS的高速客车车顶稳态传热温度场分析
第１期（总第１７６期） ２０１３年２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴ（）ＭＡＴＩ（）Ｎ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．
文章编号：１６７２—６４１３（２０１３）０１—００７９—０３
基于ＡＮＳＹＳ的高速客车车顶稳态传热温度场分析
臧国群，何忠韬，丁立利
（兰州交通大学机电工程学院，甘肃 兰州 ７３００７０）
摘要：以ＣＲＨ５车车顶为例，运用ＡＮＳＹＳ有限元软件热分析模块，将车顶置于稳态情况下进行模拟，加载
温度及对流边界条件，对热量在车顶的流动状况进行仿真与分析，得出高速客车车顶稳态传热温度分布。
关键词：温度场；隔热壁；有限元；热分析
中图分类号：Ｕ２９２．９１ ４：ＴＰ３１ 文献标识码：Ａ
Ｏ 引言 高速列车车厢内的热流密度和温度分布状况与车
厢体围护结构的热特性有着密切的关系，因此车室内 空气的速度场、温度场分布情况直接受车厢体热工特
性的影响。车厢体的传热是通过车顶、车底、侧墙、端
墙４个部分进行的。因此结合高速客车的具体设计特
点，对车顶进行传热分析，是进行客车车体隔热壁热工
性能研究的根本环节，在分析出车顶传热特性的基础
上，设计采用有效防护措施来提高客车的保温隔热性 能，降低通过高速客车车厢体的能量耗散损失，并为准
确计算车室内冷热负荷提供依据。
１ ＡＮＳＹＳ热分析的基本理论
１．１ ＡＮＳＹＳ热分析的基本原理
ＡＮＳＹＳ进行热分析的基本原理是：首先将对象 划分为有限个单元（包括若干个节点），然后运用能量
守恒原理求解在一定初始条件和边界条件下的每一个
节点处的热平衡方程，根据求解平衡方程得出的各节
点温度，进一步求解出其他相关量。
对于一个没有质量的流入或流出的封闭系统，根
据能量守恒定律有：
Ｑ—Ｗ一△Ｕ＋△ＫＥ＋ＡＰＦ。 ………………（１） 其中：Ｑ为热量；Ｗ为做功；ＡＵ为系统内能；△Ｋ 为系
统动能；ＡＰ 为系统势能。对于大多数工程的传热问
ANSYS温度场分析步骤
ANSYS温度场分析步骤
ANSYS是一个计算机辅助工程软件，用于各种工程应用，包括温度场分析。温度场分析主要是用于研究物体或系统内部的温度分布和传热过程，可以帮助工程师设计和改进各种设备和系统。下面是ANSYS温度场分析的步骤：
1.准备工作：在进行温度场分析之前，首先需要准备好相关的几何模型和网格模型。几何模型可以由CAD软件创建，而网格模型则需要使用ANSYS的网格生成工具进行网格划分。在划分网格时，需要根据物体的几何形状和分析需求选择适当的划分网格的密度。
2.定义材料属性：在进行温度场分析之前，需要定义材料的热传导特性。在ANSYS中，可以通过输入材料的热导率、热容和密度来描述材料的热性能。
3.设置边界条件：在进行温度场分析时，需要设置边界条件来模拟实际工况。边界条件包括：初始温度、加热或冷却速率、边界热通量以及固定温度等。这些条件将对温度场分析结果产生重要影响，需要根据实际情况进行合理设置。
4.定义物理模型：在进行温度场分析之前，需要定义物理模型，包括所分析的物体的几何形状和边界条件。在ANSYS中，可以通过绘制几何模型和设置边界条件来定义物理模型。
5.进行温度场分析：在完成前面的准备工作后，就可以进行温度场分析了。在ANSYS中，可以使用热传导分析模块来进行温度场分析。热传导分析模块可以通过求解热传导方程来计算温度场的分布。分析结果可以包括温度场分布图、热通量分布图等。 6.分析结果的后处理：在进行温度场分析之后，需要对分析结果进行后处理。后处理包括对温度场分布图进行可视化分析，并进行更详细的结果解释。可以通过ANSYS提供的后处理工具来进行分析结果的可视化。
7.结果验证和优化：在进行温度场分析之后，可以对分析结果进行验证和优化。验证可以通过与实际测量数据进行对比来确定模型的准确性和可靠性。优化则可以通过调整边界条件、几何形状或材料属性等来提高设计的性能。
总结：ANSYS温度场分析是一个非常强大和灵活的工程分析工具，可以用于各种工程应用。通过合理的准备工作、材料属性定义、边界条件设置、物理模型定义、温度场分析和结果后处理等步骤，可以得到准确的温度场分析结果，并通过验证和优化来不断提高设计的性能。
基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析
图1定子绕组温度分布云图基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析王其锋魏雪环刘勇赵飞（贵州航天林泉电机有限公司，贵州贵阳550008）摘要：温度场校核的准确性对无刷直流电机的设计至关重要。现从工业实践的角度，运用热路法平台MotorCAD以及有限元分析平台Ansys对无刷直流电机进行了温度场分析，并与样机工作的实际温度进行对比，验证了该模型以及分析方法的有效性和准确性，对后续无刷直流电机的研制具有一定的指导意义。关键词：无刷直流电机；温度场；Ansys；MotorCAD0引言无刷直流电机由于其调速范围广、转矩特性优异以及可靠性强等特点和优势，在生产实践中得到了广泛应用。如何提高无刷直流电机的功率密度一直是业界专家和学者关注的焦点，高功率密度电机研制的瓶颈之一在于温升对电机性能的影响。温升对电机绝缘材料的物理性能、金属材料的机械性能以及永磁体的磁性能均有较大影响，直接关系到电机的寿命和可靠性[1]，因此在设计阶段对电机进行温度场分析至关重要。本文并未过多地关注温度场研究的相关理论，而是从实践的角度，通过样机实测的温升，与方案设计阶段运用MotorCAD以及Ansys软件仿真的结果进行对比分析，验证所建模型和所用方法的准确性和有效性。1损耗分析以一台1.9kW的无刷直流电机为例，额定转矩1.8N·m，额定转速10000r/min，分析该样机额定点的稳态温度场。该样机为典型的无刷直流电机结构，采用自然风冷方式进行冷却。温度场分析的前提在于准确地计算出电机内部的损耗，主要包括定子铁芯损耗、定子铜耗、永磁体涡流损耗和风摩损耗[2]。运用AnsoftMaxwell软件对定子铁芯损耗、永磁体涡流损耗进行仿真计算，得到定子铁芯损耗为26.9W、转子涡流损耗为12.8W。风摩损耗为电机旋转时与空气之间的摩擦以及轴承高速运转时产生的摩擦损耗，取输出功率的0.5%，即9.5W；铜耗为电流流过绕组时绕组发热产生的损耗，通过相电流以及电阻值计算得到铜耗为102.8W。2温度场有限元分析运用Ansys软件对电机进行稳态温度场分析，可以有效地抛开复杂繁琐的微积分变换求解公式，只需准确计算电机的发热损耗，即热源强度、等效导热系数、对流系数等热参数，就可在Ansys热模块中进行求解。基于电机的实际工况以及仿真的可操作性，现对样机的传热方式作如下假设：（1）不考虑热辐射；（2）整个绕组等效为一体，具有相同的导热系数；（3）定子槽内空气层、导线漆膜、浸渍漆、槽楔等绝缘材料等效为一体，具有相同的导热系数；（4）电机轴向的温度梯度为0；（5）定转子间的气隙用等效导热系数的材料代替，这种处理方式与定转子间流动空气的对流换热效果是相同的[3-4]。基于以上假设，根据损耗计算以及电机材料的相关物理参数，将计算得到的导热系数、生热率和对流系数等热参数耦合至电机模型，仿真得到电机各部分的温度分布如图1、图2所示。3温度场热路法分析在MotorCAD中按样机的设计尺寸进行建模，将损耗分析结果输入至热路法仿真模型，温度响应如图3所示。4仿真结果对比分析该样机额定点工作180s后实测的电阻值为0.54赘，30℃下线电阻为0.43赘，通过式（1）可以计算出电机稳态时绕组的温度为97.3℃，实测的机壳温度为82.5℃，如图4所示。R2=R1×[1+0.0038×（T2-T1）]（1）式中，R2为温度为T2时的电阻值；R1为温度为T1时的电阻值；T1、T2为绕组温度。运用Ansys与MotorCAD仿真图2机壳温度分布云图图3热路法仿真结果图4实测机壳温