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12.2 实例分析:双层金属带
    由于铝(200 W/m·K)和镍(43 W/m·K)的热膨胀系数不同,双层金属带会在温度改变时发生
形变。在这个实例中,似定在室温下应力为零。
 
12.2.1 项目描述
    双层金属带模型如图12-1所示。在室温25℃下,由铝带和镍带枯合在一起的双层金属带,在没有任何约束的情况下加热到280℃。

双层金属带模型
    本例的目的是要知道由于铝和镍的热扩张不同而引起的变形,并找出粘合层所需的最小应力强度。
    数值仿真后还需要进行物理实验。沿长度方向布置六个张力计,附着在测试模型的表面(每个部
分的表面都放置三个),以测量表面的变形。要保证实验数据和数值解的相关性,则在有限元模型中,
传感器必须布置在相同的位置上。
    然后将保存这个变形装配体为SOLIDWORKS的一个模型,以作为进一步设计的参考。
 
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操作步骤
    步骤1 打开装配体
    打开文件夹“SOLIDWORKS Simulation \ Lessonl2\Case Studies \ Bimetalic Strip”下的装配体文件“bimetal”。
    步骤2 创建算例
    创建一个名为“bonded”的静应力分析算例。
提示:镍和铝的材料属性自动由SOLIDWORKS装配体传递过来。
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12.2.2 材料属性
    因为模型处于升温的环境,所以材料常数也要作相应调整。表12-1和表12-2显示了材料常数与温度的关系。

材料屈服强度与温度的关系
材料弹性模量与温度的关系
 
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    步骤3 为镍带指定材料属性
    右键单击【ni-2】(位于实体文件夹下),并选择【应用/编辑材料】。【材料】对话框显示的是默认室温下的镍材料常数。
由于默认的材料库无法编辑,我们将复制镍材料到一个新的自定义库,并取名为“Lesson 12 materials”。
右键单击【材料】对话框左侧的任何位置,并选择【新库】,如图12-2所示。

新建库
    命名新序为“Lesson 12 materials.sldmat”,【复制】SOLID-WORKS materials/【其他金属】/【镍】,
【粘贴】到新建的库中,如图12-3所示。编辑【镍】,选择【表格和曲线】选项卡,并在【类型】
下选择【X弹性模量与温度】。在【表格数据】栏选择单位为【℃】和【牛顿/m²】。
    步骤4 输入数据
    按照表格12-2输入指定点的数据。该表格定义了材料Inconel 702 Nickel Alloy与温度相关的弹性模量,如图12-4所示。

复制和粘贴定义镍带的弹性模量
    要新加一行表格数据,双击最后一行即可。
    步骤5 从Excel输入数据
    在有些情况下,点的数量是非常多的。SOLIDWORKS Simulation可以很方便地从其他软件
中复制数据,例如Excel。继续编辑材料【镍】,在【类型】下选择【屁服力与温度】,设置
【单位】为【℃】和【N/m²】,如图12-5所示。
    打开练习文件中的Excel文件materialdata. xls.框选Inconel 702 Nickel Alloy表格中的数据。
右健单击对应的数据并选择【复制】,如图12-6所示。

定义镍带的屈服力和温度从文件中复制数据
    【粘贴】该数据到【材抖】对话框的【表格数据】区域,如图12-7所示。

将数据粘贴到【材料】对话框
    步骤6 改变材料属性为温度相关
    切换到【属性】选项卡,在【数值】列中,单击【弹性模量】和【屈服强度】对应的单元格,并指定为【温度相关】。
    注意到单元格【弹性模量】和【屈服强度】对应的【数值】虽示为【温度相关】.
    单击【应用】和【保存】按钮,以确认材料Inconel 702 Nickel Alloy属性的定义,如图12-8所示。

改变材料属性为【温度相关】
提示:本例假定在给定温度范围内,热膨胀系数保持常数。
    步骤7 给铝带指定材料
    接着上面的步骤,为2014-T6 Aluminum Alloy指定相同的温度相关的材料常数(尼服强度及弹性模量)。数据同样能够从练习文件中的Excel文件materialdata. xls中获取。
    步骤8 全局接触
    默认的顶层装配体接触(全局接触)条件都设定为【接合I。当分析粘合在一起的零部件时,接合的接触条件足合适的。
    步骤9 在铝带上定义传感器
    在FeatureManager设计树中,右健单击【Sensors】文件夹并选择【添加传感器】,如图12-9所示。

添加传感器
    在【传感器类型】中选择【Simulation数据】,在【数据量】中选择【工作流程灵敏】。在金属带表面选择3个草图点,并选择【确定】.如图12-10所示。重命名这组传感器为Al Sensors.

定义传感器
    步骤10 在镍带上定义传感器
    按照相同的操作步骤,定义镍带上的3个传感器。命名这组传感器为Ni Sensors.
    步骤11 施加温度载荷
    右键单击【外部载荷】,选择【温度】。利用SOIJDWORKS展出菜单选择装配体的两个零部件。
输入温度为【280℃】,如图12-11所示。这样的定义说明,对于装配体的两个零部件,
温度是从零应变的参考温度均匀升高/降低到280℃。单击【确定】。

施加温度载荷
    步骤12 定义零应变温度
    右键单击算例"bonded”文件夹并选择【属性】。选择【流动/热力效应】选项卡,在【热力选项】中选择【输入温度】(默认选项),即为前面定义的280℃,如图12-12所示。

定义零应变温度
    在【应变为零时的参考A度】中输入【25】。这个温度对应的是室温。本例假定在这个温度下,不会由于结构载荷与边界条件的关系而在模型中产生应变。
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12.2.3 输入温度
    在图12-12所示的对话框中,注意温度载荷也可以通过SOLIDWORKS Simulation热力分析或直接从
CFD(计算流体力学)软件SOLIDWORKS Flow Simulation的模拟结果输入。
    对应力分析来说,也能从SOLIDWORKS Flow Simulation中输人流体的压力分布。
 
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    步骤13 稳定模型
    因为全属带的变形应该不受约束,所以不能加载领外的边界条件。因为模型满足热力学状态方程,而且不受任何外力作用,这里可以使用软弹黄选项使模型稳定。
    选择【选项】选项卡,匀选【使用软弹簧使模型稳定】复选框(见图12-13),单击【确定】。
    步骤14划分模型网格
    使用双认设呈创建【高】品质网格,使用【基于曲率的网格】。该单元大小沿着每个零件的厚度方向刚好创建两层网格,如图12-14所示。

稳定模型划分模型网格
    步骤15 运行分析
    步骤16 图解显示位移
    图解显示合位移(使用1:1的变形比例)。从图12-15中可以观测到,双层金属带的最大合位移约为0.601mm。

位移结果显示
    步骤17 图解显示von Mises应力结果
检查结果(见图12-16),发现在两个材料接触的地方应力值非常高。

图解显示应力结果
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12.2.4 平均应力
    该图解容易产生误解。从第1章中可以了解到,von Mises应力是通过外推相邻单元到波节所得的
平均应力值。在本例中,两个不同零件间的接触面应力被平均化了。要获得正确的von Mises应力分布,
必须取消对零件边界的平均化。
 
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    步骤18 编辑图解
    右健单击应力图解并选择【编辑定义】。
    在【高级选项】对话框中取消勾选【零件穿越边界的平均结果】复选框,如图12-17所示。

禁用应力平均
图12-18显示了正确的von Mises应力分布。可以看到,随着禁用零件穿越边界的平均结果选项,某些边界区城的最大值突升到大约263.9MPa.

禁用应力平均后的应力结果显示
    步骤19 单独零件上的应力创蜜鉴」
    分别检查两个零件的最大值,只需在SOLIDWORKS中隐藏另一个零件,然后针对单独零件显示von Mises应力分布图即可。
    可以按照下面描述的步骤获取显示零件的极值:在【图表选项】中,勾选【显示最小注
解】、【显示最大注解】和【只在所示零件上显示最小/最大范围】3个复选框。单独零件上的
应力结果显示如图12-19所示。

单独零件上的应力结果显示
    步骤20查看图解
    可以看到,铝带和镍带的最大von Mises应力分别为120.7MPa和263.9MPa.其中铝带高
于对应的280℃的屈服强度(93 MPa ),而探带低于对应的280℃的屈服强度(335 MPa )。这意
味着其中一个零件将发生屈服。
    因此,要得到上面问题的正确结果,可以通过使用SOLIDWORKS Simulation Premium的非
线性模决来获得。在该分析中,必须指定合金的完整应力-应变曲线。
    这里忽略零件将屈服的事实。下一部分将分析界面层并找到粘合材料的最小强度。
    步骤21 显示传感器位置的应变
    单去【定义应变图解】,定义一个新的应变分量【ESPX: X法向应变】,单击【确
定】。单击【探测】,在【选项】下选择【从传感器】选项,在【结果】下选择【Al
sensors】。这些探点都是针对铝带的。法向应变的值将列于表格中,同时显示在模型上。
    请注意【报告选项】下面的图标(见图12-20),可以图表的方式显示传感器位里的结果,
或保存它们为.cvs文件以便用户进一步分析。当然,也可以在并例的报告中包含所有传惑器位置的结果。

传感器上的应变值显示
    步骤22 图解显示法向应力sx的分布
    单击【定义应力图解】,定义一个新的【SX: X法向应力】分量的应力图解。在爆炸视图中,分析沿厚度方向sx法向应力的变化,如图12-21所示。

法向应力结果显示
注意:同样,von Mises应力图解也妥取消勾选【零件穿越边界的平均结果】复选框。
    步骤23 图表显示沿厚度方向的应力
使用探测特征。画出sx应力沿厚度方向的变化轨迹,如图12-22所示。

方向应力图表
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    .结果解释 上面的结果和图表说明了sx的如下变化。
    从图12-23中可以观察到在接触面上,法向应力从铝带的一99MPa(压力)突变到镍带的153 MPa
(张力)。还可以发现法向应力为零的3个中性轴(基准面),其中两个轴(墓准面)已清楚地显示在
图12-23中,第三个轴与接触基准面是重合的,其法向应力从铝带的一99MPa(压力)突变到镍带的
153 MPa(张力)。所有3个位置都对应着局部切应力的极值,都可能使粘合带分开。
    因为本例的主要目的是获取粘合材料的强度,所以关注对象是接触层。粘合材料必须能抵抗铝镍接触层的切应力。
    回顾介绍有限元结果解释的部分,提示了必须图解显示应力的Txy分量。这对应于【TXY: Y7基准面的Y方向抗剪】分量。

应力变化
 
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    步骤24 图解显示接触层的切应力
  单击【定义应力图解】。定义一个新的图解显示【TXY: YZ基准面的Y方向抗剪】
应力,在爆炸视图中显示。在【设定】对话框中,选择【离散】为【边缘选项】,单击【确
定】,结果如图12-24所示。

接触层的切应力结果显示
    可以观察到铝和镍接触面的切应力是相等的,也就是说平衡条件是满足的。离散的图解很
方便地显示了切应力的最大值(忽略直段末端的局部应力集中)大约为13MPa。这将是本例
中粘合层抗剪切所需的最小强度。
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12.2.5 提问
    得出结论为粘合层所需的最小强度大约为1OMPa。图12-24显示的Txy表明弯曲部分承受了更大的
切应力,为什么?请从下文寻找答案。

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