《材料成形原理》实验指导书.doc

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1、材料成形原理实验指导书施钢编写机械工程系材料实验室2011年12月实验一 焊接热过程仿真实验一、 实验目的1、 通过实验加强对瞬时点热源焊接温度场和焊接热循环的概念、解析解和数值解的特点等的感性认识。2、 使用Matlab进行点热源理论温度场计算。3、 使用Ansys软件进行点热源温度场仿真和热循环曲线计算。4、 研究数值仿真的精度；探讨影响焊接温度场和焊接热循环的因素及焊接工艺参数的影响。二、 实验内容1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接理论温度分布曲线。2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算，观察温度分布云图，绘制指定点的焊接热循环曲线。3、探讨数值仿真的精度，对

2、瞬时点热源焊接温度场和热循环曲线的影响因素及焊接工艺参数进行定量定性的探讨。三、 实验步骤1、 使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。(1) 启动Matlab软件；(2) 打开新文件(3) 编写程序（4）运行程序（5）记录指定时间的温度，绘制温度分布曲线。2、 使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算。ANSYS软件采用有限元方法进行稳态、瞬态热分析，计算各种热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。这些热载荷包括：对流，辐射，热流率，热流密度（单位面积热流），热生成率（单位体积热流），固定温度的边界条件。采用ANSYS软件进行热过程分析可以用菜单交互操作和

3、编程两种方式。本次实验采用编程方法，分两部分：必做（2学时）：主要以程序调试为主，掌握基本方法。选做（2学时）：由学生自行选择讨论的问题和拟定实验的内容和方案，将重点放在解析解与数值解的比较、数值解的精度、参数影响因素等内容的探讨。（1） 使用文本文件编辑器编写程序（2） 以.mac为扩展名存盘（3） 运行Ansys软件(4) 设置文件夹到程序所在文件夹（4） 运行程序（5） 使用General Postproc/Read Results读取指定时间的数据（6） 使用General Postproc/Plot Results绘制温度场云图(7) 使用TimeHist Postproc/Vari

4、able Viewer绘制指定点的热循环曲线，获取热循环曲线数据。 (8) 研究数值仿真的精度模型尺寸对精度的影响 （提示：改变程序中 a值）改变网格密度对计算精度的影响（提示：改变程序中 an、bn值）如何验证和改善数值计算的精度？(9) 探讨影响焊接温度场和焊接热循环的因素及焊接工艺参数的影响。自行拟定研究方案，获取分析讨论所需的数据和依据焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理？有限元数值解与解析解的比较 （提示： 选择若干个时间的数据比较）预热对焊接温度场、热循环曲线的影响 （提示：改变程序中工件初始温度）焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响 （提示：增加对流传热条件）当材料

5、性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响 （提示：材料特性数据随温度变化）四、 实验报告1、 实验目的2、 实验内容3、 实验步骤4、 实验结果与讨论温度场分布、变化规律热循环曲线及特点为何将模型分为网格尺寸不同的两个区改变网格密度对计算精度的影响模型尺寸对精度的影响，如何确定和改善数值计算的精度 有限元数值解与解析解的比较焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理预热对焊接温度场、热循环曲线的影响焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响当材料性能不为常数对焊接温度场、热循环曲线的影响焊接工艺参数变化，对焊接温度场和热循环曲线的影响。5、 实验体会实验二园环镦粗法测定摩擦系数一、

6、实验目的 利用园环铝试件的镦粗要求掌握以下三个基本原理： （1）根据园环镦粗后的变形，了解摩擦对金属流动的影响； （2）掌握绘制摩擦系数的理论曲线的方法； （3）通过实验学会测定摩擦系数的方法。 二、实验原理 环形试件在平行平板间镦粗时，由于接触面摩擦状态的不同，其变形情况也不同。当摩擦系数很小时变形后园环内外径都扩大。（图1-a）当摩擦系数超过某一临界值时，在园环中就出现一个半径为Rn 的分流面。该面以外金属向外流动，该面以内的金属向中心流动，结果使园环外径增大，内径缩小。（图1）。由能量法和应力分析法可以求分流面半径Rn， 摩擦因数m与园环尺寸间的理论关系。（摩擦因数m与摩擦系数的关系可取

7、即近似认为接触面上剪应力为常数 ，当m=1时，=0.57，故。符合米塞斯屈服条件）。由园环的原始尺寸R0，R1，H，利用值不变的假设，利用下式可求出求摩擦因子的临界值（即Rn=R1时的值）， (a)当mm0值即RnR1 时，按下式求中性层半径Rn 式中：当m m0计算值。即R1RnR0 时，按下式找出Rn。 因此我们根据已知镦粗园环尺寸和分流面半径就可以根据(a)、(b)、(c)式找出m 值。但是分流面半径无法直接测量出来，必须利用体积不变条件找出Rn 与园环变形后尺寸的关系，然后再来确定摩擦因素。为了使用方便，通常把（b）、 (c)式绘制成理论曲线，然后根据试件变形后的尺寸（内径和高度），可

8、直接查出m 值。 三、实验前绘制理论曲线的方法 在利用公式（a）、（b）、（c）绘制理论曲线时，由于Rn 和m 值在镦粗过程中不保持常数。 因此要采用等小变形法的假设来绘制曲线。 其方法步骤如下： （1）利用m 值不变的假设，根据园环原始尺寸R0，R1，H 代入公式（a）中，求出m 的临界值m0。（2）予先给定许多m 值（即m=0、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、 0.8、1.0 等）然后按给定的m 值 m0时，按（c）式求出Rn 来。 （3）设园环经过小变形h=1mm 后，Rn 仍保持不变，则可根据体积不变条件， 如图2 所示，计算出园环小变形后的内径和外径

9、如下： 变形后内径 变形后外径 （4）将第一次小变形后的尺寸r0、r1、h 作为第二次小变形前的原始尺寸，再按上述方法求出第二次小变形后的园环尺寸r0、r1、h。如此连续计算，可得出一系列给定m 和h 值下的园环内径r1，（应当注意，当计算mR1，但只要满足RnR1（或rnr1），以及mm0，就应该用（c）式来计算求Rn）。 （5）利用计算出的m、h、r1 值，就可绘制出图3 所示的理论校正曲线。（图3 所示曲线为采用6:3:2的园环尺寸所得）。 四、实验设备600KN和1000KN万能材料试验机； 工具：150mm游标卡尺、垫板；辅助材料：MoS2油膏五、实验步骤 （1）取6:3:2（即r0

10、:r1:h=36:18:12）的园环铝试件二个，分别在不同摩擦条件下（其中一个铝试件用润滑剂）在平板间进行压缩。（2）每次压缩量为15%左右，然后取出擦净测量变形后的圆环尺寸（外径、内径、高度）。注意测量时测量圆环内径的上、中、下三个直径尺寸，取其平均值。重复进行上述步骤三次，控制压下量为50%左右。 （3）测量变形后园环尺寸（外径，内径，高度）。 （4）然后取出擦净测量变形后的圆环尺寸（外径、内径、高度）。注意测量时测量圆环内径的上、中、下三个直径尺寸，计算内径算术平均值。根据园环变形后测量得的内径算术平均值和高度， 计算出然后根据理论计算曲线图上查出 m 值和值。 六、注意事项 （1）镦粗时，园环要放在平板中心，保证变形均匀。 （2）测量圆环尺寸时要测量园环内径桶形的上、中、下三个直径尺寸，然后取平均值。实验报告二 园环镦粗法测定摩擦系数班级_学号_姓名 _ 一、实验目的 二、绘制理论曲线三、实验步骤四、实验数据记录。（用表格形式记录）（分加润滑剂和未加润滑剂）； 实验记录表序号试样尺寸实验温度润滑条件镦后高度镦后内径M值摩擦系数