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第24卷 第1期 邢台职业技术学院学报 V ol.24No.1 2007年2月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb. 2007 ANSYS在焊接温度场数值模拟中的应用王新彦，高军芳，刘兵群（邢台职业技术学院机电系，河北邢台054035）摘要：目前数值模拟技术已广泛应用于各生产研究领域，ANSYS是一种被广泛应用的有限元数值模拟软件，本文阐述了ANSYS在焊接温度场数值模拟中的几个应用技巧，合理使用这些技巧可以缩短模拟过程的时间，提高模拟精度。
关键词：ANSYS；数值模拟；应用技巧中图分类号：TP15;TG40 文献标识码：A 文章编号：1008—6129（2007）01—0054—03目前，在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散元法和无限元法等，其中，发展最成熟，应用最广泛的是有限元法。
随着有限元技术的发展与应用，以及近年来由于计算机技术的突飞猛进，目前已经有了不少优秀的有限元计算分析软件，其中ANSYS, ABAQUS, ADINA, NASTRAN, MARC, SYSWBLD等可供焊接工作者选用。
不同软件处理问题的侧重点有所不同，在这些软件中，美国ANSYS公司的产品是一个涵盖最多工程领域的FEM软包。
该产品在结构分析、热分析、流体分析、电及电磁场分析方面都非常成功，目前已广泛应用于航天、汽车工业、生物医学、桥梁建筑、电子产品、重型机械等领域。
在实际的应用中，作者发现应用ANSYS软件时，任一环节的错误操作或遗漏都可能导致错误的结果，甚至退出计算。
要想保证软件能按照用户的思路运行。
除掌握了它的使用性能外，还需要一些技巧，本文阐述了几个重要的用ANSYS软件解决焊接温度场模拟问题的应用技巧，希望能对使用ANSYS研究焊接温度场的同行有所帮助。
一、ANSYS建模技术在焊接结构中，焊接接头处焊件的形状一般是长方体、圆柱体、空心圆柱体（管）等规则的形体，建模时采用自上而下的方法直接创建最高级的图元，当用户定义了一个体素时，程序会自动定义相关的面、线、和关键点。
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。
- 17 -前言1.温度是中厚板轧制的重要工艺参数之一，绝大多数轧钢厂都用红外线测温仪对板料温度进行监测，但测温仪只能测表面温度。
目前可用于实测板料内部温度的方法是接触测量法，即在板料内部放置热电偶，其使用方法的复杂性限制了其使用范围。
采用数值模拟的方法研究板料温度场，能够快速简便的获取板料的内部温度。
理论分析2.温度场分析所采用的四类边界条件如下：第一类：条件，在边界上给定温度Dirichlet 值：T (x ,y ,z ,t ) = T (x ,y ,z ,t ) (1) T (x ,y ,z ,t )其中：—给定的边界上的温度， 这一温度可能随空间位置和时间的不同而变化。
第二类：在边界上给定热流强度：k x ∂T ∂x x +k y ∂T ∂y n y +k z ∂T ∂znz = q s (x ,y ,z ,t ) (2) 其中：n x 、n y 、n z —表示边界外法线的方向余qs (x ,y ,z ,t )弦；—是随空间位置和时间变化的边界上的热流密度。
第三类：在边界上给定对流条件：k x ∂T ∂x n x +k y ∂T ∂y y +k z ∂T ∂z n z = h s (T S －T∞) (3) 其中：T s —表面温度；T ∞—外界环境介质温hs 度；—表面与周围介质的对流换热系数。
第四类：在边界上给定辐射条件：k x ∂T ∂x n x +k y ∂T ∂y y +k z ∂T ∂zz =σε(T s 4 －T ∞4) (4) 其中：—常数；—表面 σStefan-Boltzman ε辐射系数。
板料在加热炉内经过高温加热。
由于板料在加热炉内加热的时间较长，可认为板料温度达到均匀，为℃左右。
轧制前，板料从加热炉中1215经过传送辊送往轧机，在传送过程中板料的温度要降低。
促使板料温度降低的因素有：板料表面向空间的辐射散热、高压除磷水喷射板料产生的强制换热、板料与周围空气之间的自由对流散热、板料与传送辊之间的传导散热。
短圆柱体的热传导过程问题：一短圆柱体,直径和高度均为1m,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30W/m·℃;求解：第一步：建立工作文件名和工作标题在ANSYS软件中建立相应的文件夹,并选择Thermal复选框;第二部：定义单元类型在单元类型element type中选择thermal solid和quad 4node 55,在单元类型选择数字element type reference number输入框中输入1,在单元类型选择框里选择Axisymmetric,其余默认即可;第三步：定义材料性能参数在材料性能参数对话框中输入圆柱体的导热系数30.第四步：创建几何模型、划分网格创建数据点,输入点坐标;在第一个输入框中输入关键点编号1,并输入第一个关键点坐标0、0、0,重复输入第二个、第三个、第四个关键点,相应的坐标分别为20.5,0,0；30.5,1,0；40,1,0;结果如下图1所示：在模型中创建直线,选择编号为1、2的关键点生成一条直线,在选取2、3生成一条直线,同样选择编号为3、4和编号为4、1的关键点生成另外两条直线;结果如下图2所示：之后在plot numbering controls对话框,分别打开KP Keypoint numbers、LINE line numbers、AREA Area numbers,建立直线L1、L2、L3、L4线段;生成几何模型,如下图所示：在L1、L3线段上划分20个单元,并将L2、L4划分成40个单元格,并在模型上选取编号为A1的平面,如下图所示：将结果进行保存;第五步：加载求解选择分析类型Steady-State,在Select Entities对话框,第一个下拉列表框中选择Lines,在第二个下拉列表中选择By Num,第三个单选框中选择From Full;选择线段L1、L2;重复上述操作,在Select Entities对话框,第一个下拉列表框中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attached to,第三个单选框中选择Lines,all;并在Lab2 DOFs to be constrained 列表中选择TEMP,在VALUE Load TEMP value输入框中输入0;在Select Entities对话框,第一个下拉列表框中选择Lines,在第二个下拉列表中选择By Num,第三个单选框中选择From Full选择L3线段,重复上述操作,在Select Entities对话框,第一个下拉列表框中选择Nodes,在第二个下拉列表中选择Attached to,第三个单选框中选择Lines,all;并在Lab2 DOFs to be constrained 列表中选择TEMP,在VALUE Load TEMP value输入框中输入100;加载结果如下图所示：单击Solve Current Load Step对话框中点击OK,ANSYS开始求解;并将结果进行保存;第六步：输出温度场分布图在Item,Comp Item to be contoured列表中选择DOF solution Temperature TEMP,在KUNND Items to be plotted单选框中选择Def shape only,单击OK将显示温度场分布等值图,结果如下图所示：。
