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1、上机实验报告问题一、模具加热过程温度场的有限元模拟一、问题描述有一很长的方形模具，其截面结构见问题一图，外部尺寸为 300300 mm, 内部为5050 mm，现需进行加热奥氏体化。模具初始为室温 25 ，装入炉温为 1000空气加热炉加热，假定外表面与炉气换热系数为 250 W/m2K，内表面与炉气换热系数为 80 W/m2K，模具材料密度为 7800 kg/m3，导热系数为 35 W/mK，比热为 460 J/kgK。试计算该模具内温度场，升温最快点和最慢点的加热曲线。 （各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响） 50 3 问题一图二、模型描述因模具对 x 轴、y 轴对称，只取右上部简
2、化问题。简化后，模型拥有 2 个 4 节点的四边形单元，手动添加节点（0.025,0,0） ，（0.15,0,0） ， （0,0.025,0） ， （0.025,0.025,0） ， （0.15,0.025,0） ， （0,0.15,0） ，（0.15,0.15,0） 。细分单元时，每个小单元为 0.0050.005 的正方形。最后清除重复节点，检查单元法线方向，重新编号。三、材料参数材料参数使用题目给出的数据，材料参数的分析类型为 thermal，材料类型为standard，输入的热力学参数：K=35 W/mK，比热为 460 J/kgK，模具材料密度为 7800 kg/m3，如图。四、初始
3、条件模具初始温度为 25。初始条件 initial conditions 选择 thermal 类型当中的temperature，输入初始条件 temperature=25。将初始条件赋予所有存在的节点。五、边界条件环境温度为 1000，外表面与炉气换热系数为 250 W/m2K，内表面与炉气换热系数为80 W/m2K。边界条件 1：输入环境温度 ambient temperature=1000，换热系数 film coefficient=250。将边界条件 1 赋予模具外边界，如图。边界条件 2：输入环境温度 ambient temperature=1000，换热系数 film coeffi
4、cient=80。将边界条件 2 赋予模具内边界，如图。六、计算设定设置最大增量步数 max # increments in job=1000000，最大迭代次数 max # recycles=20， 。设置收敛准则，输入 max error in temperature estimate=0.5，max temperature change before reassembly=0.5。输入工况分析时间 total loadcase time=1000000。设置最大增量步数 max # increments=1000000，初始时间步长 initial time step=0.01，将任务结
5、束条件换成 finish when exceed，输入任务结束温度 finish temperature= 840，输入允许的最大温度改变 max temperature change allowed=2。新建类型为 thermal 的任务，激活载荷工况 lcase1，激活所有边界条件及初始条件。分析维度 analysis dimension 设置为 axisymmetric，激活热容矩阵分析选项 lumped capacity。设置 analysis dimension 为 axisymmetric，并选择 solid 中 quad 下的 40，将单元类型设置为轴对称 4 节点四边形全积分单
6、元。对所有单元施加此单元类型。检查任务设置有无警告及错误。确认没有警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。七、结果分析打开结果文件，激活 contour bands 查看温度云图，得到最终结果温度云图如图所示。通过 path plot 可知升温最快点为右上角的顶点，升温最慢点为模具内中部处。对对角线方向若干个点，作 path plot 可得。通过 history plot 可得 7 号节点，4 号节点及 66 号节点的加热曲线。问题二 、有孔平板拉伸平面应力问题的有限元模拟一、问题描述一个带圆孔平板如问题二图所示。平板为方形，边长 30mm，内孔半径 2.5mm。两侧受均布拉伸载荷 p = 2
7、0 N/mm。平板材料性能参数包括：泊松比 0.3，弹性模量 200GPa。试分析平板内部变形情况及应力场。 （各类参数可以自己改变，以研究其对结果的影响）XYpp问题二图二、模型描述因模型对 x 轴、y 轴对称，取右上部简化问题。简化后手动添加节点（15,0,0） ， （15,15,0） ， （0,15,0） 。将此三节点通过添加多折线polyline 连接。以原点（0,0,0,）为中心点， （2.5，0,0）为起点，通过 arc_cpa 作一条90的圆弧。再将直纹面转换为单元。设置 division 为 20 20，设置 bias factors 为 0 -0.4，将直纹面转化为小单元。图
8、为最终结果。三、材料参数材料参数的分析类型为 structural，材料类型为 standard，在 structural 中输入材料属性：弹性模量 Youngs modulus=2e5 MPa，泊松比 poissons ratio=0.3，如图。将上述材料参数赋予至所有单元中。四、初始条件无初始条件。五、边界条件边界条件受均布拉伸载荷 p = 20 N/mm。边界条件 1：输入 pressure=-20，如图。将边界条件 1 赋予右边界，如图。边界条件 2：新建边界条件 2，输入 displacement x=0，如图。将边界条件 2 赋予左边界，如图。边界条件 3：新建边界条件 3，输入
9、displacement y=0。将边界条件 3 赋予下边界的点上。六、计算设定在任务 jobs 当中新建类型为 structural 的任务，在 properties 的 initial loads 中激活三个边界条件。在 job results 的 available element tensors 中激活 stress 和 total strain，available element scalars 中激活 mean normal stress，添加结果变量。将 analysis dimension 改为 plane stress。在 elements types 当中设置单元类型，把
10、analysis dimension 改为 planar，在solid 当中选择 quad 下的 3，将单元类型设置为平面应力 4 节点四边形全积分单元。将单元类型通过 exist 赋予所有存在的单元。点击 check 检查任务设置有无警告及错误，点击 renumber all 进行重新编号。确认无警告及错误提示后提交任务，等待计算完成。七、结果分析打开结果文件，激活 contour bands 查看云图，得到的结果如图，云图中显示的为 x方向上的变形量。分别改变 scalar 为 Mean Normal Stress 和 Displacement，分别得到图。通过 path plot 可查看
11、下方底边所有点的主应力曲线，得到。八、讨论（体会，建议，感想）通过本次实验，我学到了很多关于有限元方法的具体操作步骤，并能在了解其原理的同时尝试解决一些有关温度或应力场的问题。上机实验里学到的东西十分有效，在方便的解决问题的基础上，通过软件的模拟，了解材料在实验过程中的变化过程。我建议是否能适当增加上机实验内容。我们这次的上机实验对于 Marc Mentat 的学习仅属于了解的范畴，无法深入应用。并且是否能延长实验时间，让老师能更深入地讲解Marc Mentat 的运用，了解其每个步骤的原理，为我们以后自主运用该软件打下基础。最后感谢老师在课程中对我的教导与帮助，感谢材料学院为我们设置了这一课程，令我们学到了更多的知识。
