材料成形現(xiàn)在模擬技術(shù)

1、西 安 建 筑 科 技 大 學(xué)研 究 生 課 程 考 試 試 卷考試科目：材料成型現(xiàn)代模擬技術(shù)課程編碼：任課教師：鄒德寧考試時(shí)間：學(xué) 號(hào)：1204240572學(xué)生姓名：宋曄題 號(hào)成 績(jī)總 成 績(jī)學(xué) 分123456閱卷人簽字789試題總頁(yè)數(shù)101. 通過(guò)考察處于導(dǎo)熱過(guò)程中各向同性物質(zhì)的微元體積（xyz）的能量平衡，見(jiàn)下圖1，建立導(dǎo)熱微分方程式。（15分）xzydQx+xdQxdQzdQydQz+z圖1 直角坐標(biāo)系導(dǎo)熱方程式的微元體解：首先要了解傅立葉定律，傅立葉定律其中，分別為x，y，z坐標(biāo)軸上的單位矢量。為導(dǎo)熱率（單位）。其含義表示，單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)某單位截面上的熱流（單位），與該處的溫度梯度

2、成正比，但方向相反。 其次，導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo)依據(jù)，根據(jù)能量守恒定律與傅立葉定律，建立導(dǎo)熱物體中的溫度場(chǎng)應(yīng)滿足的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即導(dǎo)熱微分方程；，物體在單位時(shí)間內(nèi)獲得的熱量；，物體在單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)能的增加；，物體對(duì)外界所做的功。對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，溫度改變導(dǎo)致體積變化對(duì)環(huán)境所做的功可忽略不計(jì)，上式變?yōu)椋?最后，直角坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程的推導(dǎo) 考察時(shí)間內(nèi)微元體中：導(dǎo)入與導(dǎo)出凈熱量 + 內(nèi)熱源發(fā)熱量 = 熱力學(xué)能的增加1. 導(dǎo)入與導(dǎo)出微元體的凈熱量（1）時(shí)間內(nèi)、沿x 軸方向、經(jīng)垂直于x軸 的熱量導(dǎo)入表面導(dǎo)入的熱量： (單位)同理，時(shí)間內(nèi)、沿x 軸方向、經(jīng)垂直于x軸 的熱量導(dǎo)出表面導(dǎo)出的熱量： (單位)，分別為

3、熱量導(dǎo)入面和導(dǎo)出面上的熱流密度，單位。請(qǐng)注意，事實(shí)上這里有： ，所以導(dǎo)入與導(dǎo)出的熱量差為： (單位)同理：（2）時(shí)間內(nèi)、沿y 軸方向、經(jīng)垂直于y軸 的兩表面導(dǎo)入導(dǎo)出的熱量差： (單位)（3）時(shí)間內(nèi)、沿z 軸方向、經(jīng)垂直于z軸 的兩表面導(dǎo)入導(dǎo)出的熱量差： (單位)2 微元體自身的發(fā)熱量時(shí)間內(nèi)，微元體自身的發(fā)熱量：3微元體熱力學(xué)能的增量（即微元體溫度升高耗費(fèi)的能量）時(shí)間內(nèi)，微元體溫度升高耗費(fèi)的能量：根據(jù)前面所述的能量守恒，有：即整理得：又因?yàn)楦盗⑷~定律，即，所以：， ， ，帶入上式，得直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程：2. 右下圖所示了絕熱、給定熱流密度qr、對(duì)流、定溫、輻射換熱等五種邊界表面的二維矩形

4、區(qū)域網(wǎng)格，請(qǐng)用能量平衡法建立各種換熱邊界條件下的節(jié)點(diǎn)方程。（15分）解：位于平直邊界上的節(jié)點(diǎn)如圖所示邊界節(jié)點(diǎn)(m,n)只能代表半個(gè)元體，若邊界上有向該元體傳遞的熱流密度為，據(jù)能量守恒定律對(duì)該元體有： （4-4a）若時(shí)，則： （1）求解區(qū)域邊界條件如下：給定溫度邊界條件，y=l2，0xl1，t=tw熱流邊界條件，y=0，0xl1，-kty=qr絕熱邊界條件，x=0，0<y<l2，tx=0對(duì)流傳熱邊界條件，x=l1，0<y<l2，ktx=h(t-tf) 將上述條件分別代入（1）就可求得各換熱邊界條件下的節(jié)點(diǎn)方程。3 針對(duì)給定文獻(xiàn)，提交學(xué)習(xí)報(bào)告。（15分）解：1.介紹及提出問(wèn)

5、題阿維迪公司ISP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線鋼水包容量為120噸，結(jié)晶器出口處連鑄坯厚60毫米，經(jīng)液芯壓下后為43毫米，經(jīng)三個(gè)機(jī)架壓下至15毫米25毫米。由于采用了液固兩相坯料軋機(jī)，軋制壓力較小，每個(gè)機(jī)架功率為600千瓦。中間帶坯經(jīng)剪斷機(jī)、感應(yīng)加熱器后送至克雷莫納爐，除保溫外，還可將帶坯尾部變成頭部，使其先進(jìn)入精軋機(jī)以減少頭、尾部溫差。精軋機(jī)原設(shè)計(jì)為4機(jī)架，后增設(shè)1機(jī)架。精軋機(jī)后設(shè)有冷卻軌道和地下卷取機(jī)，由連鑄機(jī)至帶鋼卷取機(jī)的全長(zhǎng)僅為168米。 工廠布局及操作。根據(jù)設(shè)計(jì)，克利蒙娜廠計(jì)劃在1994年產(chǎn)能達(dá)到55萬(wàn)t/a，相當(dāng)于每天生產(chǎn)16爐鋼，最大連澆爐數(shù)為4爐鋼水。在連鑄坯芯部為液態(tài)的情況

6、下就開(kāi)始減薄厚度，3個(gè)大壓下量的軋機(jī)機(jī)架將連鑄坯的厚度減薄到結(jié)晶器出口厚度的15%。經(jīng)過(guò)感應(yīng)加熱以后，薄板坯在卷取爐內(nèi)卷取并保溫。經(jīng)過(guò)除鱗后，薄板坯進(jìn)入4輥精軋機(jī)。根據(jù)這種布局，鋼液可在170m的距離和15min內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)殇摼?。ISP(內(nèi)聯(lián)帶鋼生產(chǎn))和AST(Arvedi鋼技術(shù))過(guò)程, 允許在軋機(jī)入口具有非常高的溫度。即離開(kāi)鑄造機(jī)的滾動(dòng)的鋼板,允許利用在內(nèi)聯(lián)機(jī)連鑄存儲(chǔ)的熱。內(nèi)聯(lián)的軋制設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程包括鑄帶軋制機(jī),液芯還原設(shè)備,高還原機(jī)、感應(yīng)加熱器,克雷莫納繞線站,除鱗機(jī),傳統(tǒng)精軋機(jī)和冷卻區(qū)。最初的模具帶厚度為74毫米, 在液體核心還原過(guò)程是減少到55毫米。這個(gè)地區(qū)的最大帶溫度高還原機(jī)放置在帶中心，

7、主要好處技術(shù)有:1.非常低的投資成本；2.不需要隧道爐,英語(yǔ)和好的產(chǎn)品質(zhì)量；3.供暖能耗下降到0時(shí),連鑄速度是在約0.14米/秒；4.高達(dá)20倍降低水的消耗；5.(相比傳統(tǒng)軋制)溫度梯度在截面是非常有用的對(duì)于軋制過(guò)程；6.低水平的安裝機(jī)功率高還原機(jī)(3滾動(dòng)站在0.5,0.6和0.8 MW)提供還原從55到12.5毫米的帶鋼寬度1300毫米。AST是最緊湊的熱帶鋼生產(chǎn)過(guò)程用振動(dòng)模技術(shù)與優(yōu)秀的效率和成本。設(shè)備的總長(zhǎng)度是70到80米包括鑄造機(jī)在前線和最終冷卻器在后部。最大溫度帶發(fā)生在橫截面并且隨著連鑄速度從1340到1420攝氏度變化。表明中間區(qū)域經(jīng)歷卷取還是多空隙的。主要提到的新技術(shù)的目標(biāo)是顯著地

8、降低軋制力和達(dá)到非常有利的溫度場(chǎng)相比傳統(tǒng)流程。然而某些特定問(wèn)題針對(duì)金屬處理提升。中央部分材料仍是多空隙的。這個(gè)結(jié)果在改變材料密度和發(fā)生溫度的特點(diǎn),具有重大影響的塑料的行為材料。一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題也缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)材料的熱,機(jī)械性能和顯著的變化的密度。數(shù)學(xué)和實(shí)驗(yàn)建模的糊狀鋼變形是一個(gè)創(chuàng)新主題對(duì)于非常高的溫度范圍內(nèi)變形過(guò)程。對(duì)有色金屬的變形測(cè)試更容易。不斷上升的通過(guò)熱機(jī)械應(yīng)力的能力使鋼樣品的測(cè)試和模擬結(jié)果都計(jì)算機(jī)仿真和改進(jìn)新的軋制技術(shù),類似于ISP和AST流程。本章揭示了這些問(wèn)題。它側(cè)重于軸向?qū)ΨQ的計(jì)算機(jī)模型,從而保證了其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可能性的幫助物理模擬。2半固態(tài)鋼的熱機(jī)械變形模型數(shù)值分析樣品的變形有液

9、相的中央部分顯示了極高的應(yīng)變不均勻性要求應(yīng)用程序混合分析數(shù)值解的問(wèn)題，該模型致力于建模流程,這需要精度高產(chǎn)生的參數(shù)字段。分析解決方案的不可壓縮性和質(zhì)量都保護(hù)(糊狀區(qū))條件模型的重要部分。分析條件消除問(wèn)題造成無(wú)意的標(biāo)本量的變化應(yīng)用數(shù)值方法。現(xiàn)有的、物理變化的鋼的密度糊狀區(qū)有影響的變化控制體積。真正另一方面數(shù)值錯(cuò)誤可以是一個(gè)來(lái)源的容積損失造成干擾真正的改變。這個(gè)效果是非常不受歡迎的行為在造型的鋼的熱溫度范圍為轉(zhuǎn)換特征的聚集狀態(tài)。本文做了以下幾個(gè)步驟a.熱模擬b.控制收縮率的力學(xué)模型分析c.密度變化3相關(guān)開(kāi)發(fā)的數(shù)值模擬系統(tǒng)Def_Semi_Solid和JMatPro（JMatPro是英國(guó)SenteS

10、oftware公司開(kāi)發(fā)的，一款功能強(qiáng)大的材料性能模擬軟件）計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試的力學(xué)性能在非常高的鋼溫度使用Gleeble®3800物理仿真器來(lái)避免問(wèn)題的出現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)試程序。第一個(gè)模塊允許建立新項(xiàng)目或與之前已有的工作。整數(shù)部分的每個(gè)項(xiàng)目有:輸入數(shù)據(jù)一個(gè)特定的壓縮/拉伸試驗(yàn)以及結(jié)果的測(cè)量和優(yōu)化。在當(dāng)前版本的程序模塊允許應(yīng)用程序的數(shù)量的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎(在其他標(biāo)準(zhǔn)MSAcces,數(shù)據(jù)庫(kù)IV和悖論7 - 8進(jìn)行實(shí)時(shí)的系統(tǒng)),并允許實(shí)施材料數(shù)據(jù)庫(kù)和程序的自動(dòng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。第二模塊(求解)給用戶管理的可能性工作條件的仿真過(guò)程。逆分析可以被關(guān)閉或使用這個(gè)系統(tǒng)的一部分。4.計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)過(guò)程5.結(jié)論 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)

11、試的鋼樣品變形共存液體和固體階段需要解決許多問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題是如何確定材料熱性能和機(jī)械性能，如:熱傳遞系數(shù)和其他熱性能。最主要的問(wèn)題是如何描述壓力測(cè)試得到的拉力-壓力曲線。該模型與不可壓縮性條件解析形式允許模擬材料的變形與糊狀區(qū)避免容積損失,引起一些密度。提出的程序是一個(gè)極好的半固態(tài)獨(dú)特的工具,這可以是非常有用的,并可能使正確的解釋結(jié)果非常高的嗎溫度測(cè)試。本文表明其預(yù)測(cè)能力有關(guān):溫度、形狀的大小和變形區(qū)。關(guān)注的焦點(diǎn)是力學(xué)性能研究鋼的具體特性的理論模型應(yīng)用到分析。一個(gè)可以觀察到壓縮測(cè)試解釋可能只是由于應(yīng)用對(duì)模型和實(shí)現(xiàn)的反分析。4 結(jié)合具體實(shí)例，采用正交試驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（15分）解：實(shí)例：為

12、了提高某產(chǎn)品的合格率，經(jīng)分析考慮了溫度A，時(shí)間（B），用堿量（C）三個(gè)因素，再考慮三個(gè)水平，采用L934正交表的前三列進(jìn)行正交試驗(yàn)，合格率為31,54,38,53,49,42,57,62,64；1)用直觀分析法和極差分析法分析試驗(yàn)結(jié)果，確定最適應(yīng)的因素水平組合；2)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析后，確定各因素的顯著性次序及適宜水平組合；3)計(jì)算各因素的貢獻(xiàn)率。（1）計(jì)算數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析：1、直觀法：第9方案 y=64 ，最佳方案為： 2、極差法：，各因素的趨勢(shì)圖：方差分析和波動(dòng)貢獻(xiàn)率計(jì)算表，最佳水平組合是 ：，考慮B為不顯著因素，取經(jīng)濟(jì)方案。5 借助MATLAB軟件，對(duì)焊接過(guò)程二維不穩(wěn)態(tài)焊接熱傳導(dǎo)問(wèn)題進(jìn)行

13、數(shù)值模擬。（20分）解：薄板焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分析：取焊件的一半為模型進(jìn)行離散化，起點(diǎn)為O點(diǎn)，以后以v速度沿y軸運(yùn)動(dòng)，如圖所示。 根據(jù)題意該問(wèn)題為二維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，導(dǎo)熱方程為：題目可化為以下微分方程組：(以y軸正方向?yàn)樯?，x軸正方向?yàn)橛?相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：參數(shù) 數(shù)值 備注 7.82 g/cm3密度v 0.4 cm/s 焊接速度h 1cm 板厚度Qm 4000 cal/cm3熱源分布密度 0.0008cal/cm2·s·換熱系數(shù)Te，T020 周邊介質(zhì)溫度，初始溫度 k 0.1 cal/cm·s· 導(dǎo)熱系數(shù) 實(shí)驗(yàn)過(guò)程： 區(qū)域設(shè)置啟動(dòng)MATLAB軟件，在命令窗口輸入

14、pdetool，打開(kāi)PDE Tool Box工具箱。單擊Rectangle/Square矩形選框工具，在窗口中拉出一個(gè)矩形。雙擊矩形區(qū)域，在Object Dialog對(duì)話框輸入Left為0，Bottom為0，Width為2，Height為2。與默認(rèn)坐標(biāo)相比，圖形顯示不在屏幕中間，所以還需要調(diào)整坐標(biāo)顯示比例。選擇Options Axes Limits，勾選X、Y軸的自動(dòng)選項(xiàng)。然后在Options Application選擇Heat Transfer熱傳輸模型。邊界條件設(shè)置單擊，使邊界變紅色，然后分別雙擊每段邊界，打開(kāi)Boundary Conditions對(duì)話框，如下圖所示。根據(jù)邊界條件，采用Ne

15、umann條件，設(shè)置各邊界條件。邊界條件輸入值見(jiàn)下表。邊界條件設(shè)置值邊界 g (Heat Flux) q (Heat Transfer Coefficient) 左邊界0 0 右邊界0.0008*20 0.0008 下邊界（x軸） -0.0008*20 -0.0008 上邊界0.0008*20 0.0008 方程類型設(shè)置單擊，打開(kāi)PDE Specification對(duì)話框，設(shè)置方程類型為Parabolic（拋物型），rho(密度）為7.82，C（比熱）為0.16，k（導(dǎo)熱系數(shù)）為0.1，Q（熱源）為4000*exp(-3*(x.2+(y-0.4*t).2)/0.49)，其他參數(shù)為0。網(wǎng)格劃分單擊

16、，或者加密網(wǎng)格，單擊。初值和誤差的設(shè)置 單擊Solve菜單中Parameters選項(xiàng)，打開(kāi)Solve Parameters對(duì)話框，輸入Time，如Time=5s則輸入0:0.5:5，u(t0)為20,其他不變。解方程和整理數(shù)據(jù)單擊，開(kāi)始解方程。單擊Mesh->Export Mesh輸出pet的數(shù)值，單擊Solve->Export Solution輸出u。單擊，設(shè)置所繪制的圖形的顏色、維度等，單擊Plot即可完成。6 根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，選擇任意模擬軟件，對(duì)一工程問(wèn)題進(jìn)行模擬研究。（20分）解：1.問(wèn)題描述分析模型如圖1所示，梁的橫截面為矩形 寬×高 = 1 × 2 m

17、2。受到分布載荷作用。材料的彈性模量200 GPa，泊松比0.3。圖1 懸臂梁的計(jì)算分析模型2.計(jì)算模型2.1有限元模型及網(wǎng)格劃分此問(wèn)題屬于平面問(wèn)題，采用的ANSYS單元信息為：Element Type：Solid Quad 4node 182；K1：Reduced integration；K3：Plane Stress；網(wǎng)格劃分信息為：長(zhǎng)邊NDIV：50；短邊NDIV：10；Mesh：Areas；Shape：Quad，Mapped。即將用實(shí)體單元進(jìn)行離散，網(wǎng)格劃分為50 × 10的正方形網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分圖見(jiàn)圖2。圖2 網(wǎng)格劃分圖2.2邊界條件本問(wèn)題的邊界約束條件為給懸臂梁左邊施加一固

18、定約束，并給梁的上邊施加線性分布載荷。2.3材料模型本問(wèn)題具體的材料模型和材料參數(shù)為：Structural：LinearElasticIsotropic；即材料屬各向同性，按線彈性模型處理；材料參數(shù)：EX：200e9；PRXY：0.3，即彈性模量為200GPa，泊松比為0.3。2.4特殊處理本問(wèn)題一般生成步驟是先生成特征點(diǎn)，而后依次連接四個(gè)特征點(diǎn)生成面。具體過(guò)程為：(1) 生成特征點(diǎn)Main Menu：Preprocessor Modeling Create Key points In Active CS input:1(0,0,0), 2(10,0,0), 3(10,2,0), 4(0,2,0) OK；(2) 生成面Main Menu：Preprocessor Modeling Create Areas Arbitrary Through KPS 依次連接四個(gè)特征點(diǎn)，1 2 3 4