铸造模型的温度场有限元分析

时间：2024-07-27 05:37:51 化学毕业论文

铸造模型的温度场有限元分析

　　铸造过程是一个液态金属充填铸型型腔的过程，本次介绍的是不包括液态金属流过型腔并且冷却的过程，不考虑液体流动过程，仅仅是模拟在金属液体全部充满后冷却的过程，这个过程是包含了许多对铸件质量有重要影响的物理过程和现象。在长期的生产实践中由于缺乏考察这一过程，并且对整个冷却凝固过程没有确切的数据说明，只能依靠设计者的经验积累和现场试验，因此阻碍了铸造行业的发展。如果能对铸造过程进行模拟，对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种逐渐缺陷以及提高生产效率都非常重要。凝固过程温度场数值模拟可以实现以下目的：提供浇注冲型时序图，凝固过程可视化，预测缩孔，缩松等宏观缺陷，为预测铸造应力，微观组织等提供基础数据，分析评价并通过控制凝固条件优化铸造工艺，减少工艺准备失误率，缩短试制周期，降低试制成本。所以对铸造模型的温度场的模拟是十分有必要且意义重大。
　　铸造过程的温度场的模拟主要取决于热传导的问题，这个过程主要是液态铸件的冷却凝固过程与铸型的温度不断上升的过程，此过程为热传导，所以对于温度场的模拟主要抓住热传导理论。对于具体问题要具体对待，对于热传导问题主要考虑对流散热系数的选取，也就是边界条件，其中边界条件分三类：
　　第一类边界条件----温度边界条件，即物体与外界接触周界的温度已知。这类边界条件称为狄利克莱问题。
　　第二类边界条件----导热边界条件，即物体边界在法线方向上的比热流量已知。这类边界条件成为牛曼问题。
　　第三类边界条件----热交换边界条件，即在边界上已知物体与外部介质的热交换情况。设边界外周围介质的温度为T已知，介质与物体之间的热交换系数为α,物体的热传导系数为λ，则在边界上的热交换条件为：
　　此类边界问题又称为劳平问题。高温零件的受热边界大多属于第三类边界条件。所以本次铸造过程的温度场的数值模拟所施加的边界条件为第三类边界条件。
　　下面就本次模拟的过程以及分析过程详细说明名如下，其中主要是在Ansys中的分析。
　　1.使用Glue方法模拟温度场
　　一、建立模型
　　如图所示，此模型具有对称性，且考虑到计算的简化，故将此模型取一半，图中所示的面为对称面，在建立模型的时候主要考虑到模型的具体形状，在ansys中建模时候又诸多困难，其中主要原因为ansys所作的是有限元分析，是用数值模拟实际问题，本身带有近似解的可能，所以对于模型的近似程度要求很高，在理论上应该是完全按照实际的模型进行，即是实体模型和有限元模型之间的紧密联系，所以在建模的时候不允许有任何的不匹配，导致在ansys中建模有诸多的不利因素，但是这也恰恰保证了在ansys中所建立的模型直接应用于计算的准确性，得出正确的结果，所以在ansys中建模时对于较为简单的模型应该尽量在ansys中建模，这样可以保证在分析时导致太多的错误，使结果趋于稳定，然而在现实中有很多的实际结构是很复杂的，这样必然导致了在ansys中建立模型的困难程度，但是这并不影响后面的分析，因为在ansys中有很多的接口可以提供用户使用。比如说最常用的格式有iges,catia,pro/e,ug,sat等，这样的就可以在专用绘图软件中建立模型，然后在将其导入到ansys中，简单修改后就可以进行分析。　　二、分析前处理
　　1.将上述所建立的模型进行布尔运算，使用glue命令，将铸件和铸型用glue的方法进行粘贴在一起，这样的时候就可以将铸件和铸型成为一体，然后进行分析。命令为：
　　GUImainmenu>preprocessor>operate>glue>volumes
　　在完成布尔运算之后进行热物性参数设定，使用命令：
　　GUImainmenu>preprocessor>materialprops>materialmodels…
　　所用到的参数如下表：L

材料参数温度℃	热传导系数w/m℃	J/m
铸件材料	铝
0	236	0
550	218	1.6532e9
615	214	2.9424e9
700	205	3.1978e9
铸型材料	钢
0	表3-1	0
200		7.284e8
400		1.4568e9
700		2.5494e9

表3-1

温度参数	50	100	200	300	400	500	600	700
热传导系数	51.1	50.7	48.1	45.6	41.9	38.1	33.9	30.1

定义完成参数后就需要进行网格划分，在划分网格前应首先定义硬点，使用命令如下：　　GUImainmenu>preprossessor>create>keypoint>hardpointwitharea在这里建立硬点原因是因为此模型为试验模型，在试验时通过传感器可以测量铸件在不同时刻的温度，这些温度试验数值已经测出，所以建立硬点就是试验时所安装的传感器的位置，这样的模拟在完成后就可以通过硬点的温度数据变化和实际传感器的温度数据通过绘制曲线，来检测模拟的结果是否正确，其中建立硬点的位置如下图：　　在试验过程中，传感器所在的位置为8、6、5、2号通道，所以图中所示的就是所要划分的硬点的位置，硬点坐标见表3-2，建立完成硬点后进行网格的划分，命令：
　　GUImainmenu>prepeossessor>meshtool在elementattributes中选择set在mat中选择1,然后点击mesh后选取铸件，对铸件进行自由的网格划分，用同样的方法选择2，然后对铸件进行自由网格的划分，在这里要提醒的是在划分网格的时候要注意铸件和铸型为两种材料，应该按照所给的材料来定义网格，这样划分的网格才是与所给出的材料特性相对应，否则将导致计算的失败，下图就是分别划分网格的结果，所选用的单元为三角单元，单元类型solid70,大小为smartsize=6,划分完单元后如下图：　　硬点坐标见下表

坐标硬点	X	Y	Z
8号	146mm	102mm	50mm
6号	199mm	116mm	50mm
5号	250mm	130mm	50mm
2号	301mm	144.5mm	50mm

以上的工作是在前处理中，所以保证以上的参数与网格的划分保证正确的前提下就可以进行进行以下的计算了，下面进行分析阶段

　　在分析时要进入solution求解模块，首先，选定瞬态分析选项，全牛顿拉普拉选项，因为铸造模型过程是一个非线性过程，而且是一个瞬态分析，所以使用命令：
　　GUImainmenu>solution>analysistype>newanalysis>transient
　　在选择完这一个过程后，就需要进行初始条件的确定，铸件和铸型的初始温度，铸件为浇筑稳定后的温度650度，而铸型的温度为30度，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>intianlcondition>define>pickall,选择铸件的节点，在这里需要注意的是在约束时候选择x,y,z方向的约束，不要将temp选中，因为在热分析中温度也是作为一个自由度追加在节点上，如果将温度也选中的话，那整个模型将不会传热，导致计算失败，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>displacement>nodes>pickall,选择UX/UY/UZ来施加约束。
　　完成约束后，就需要施加对流边界条件，数值为：

全部侧面	全部顶面	全部底面
8	10	7

将上述条件施加完成后，就可以进行时间常数的确定，命令：　　GUImainmenu>solution>loadstepoption>outputctrls>DB/resultfile选择everysubstep,
　　Mainmenu>solution>loadstepopts>timefrequenc>time-timestep,时间为2400s,步长为10，最大为20，最小为5。
　　结果后处理
　　完成上述操作后，我们就可以得到结果，在这里所做的运算都是计算机运行的程序，在结果后处理我们可以对问题进行以云图的方式显示，还以将所设定的硬点试验曲线绘制，以及整个温度变化过程的显示，动画，图片的捕捉，命令：
　　GUImainmenu>generalpostroc>firstset,还可以使用
　　GUImainmenu>generalpostroc>byloadset,这样可以通过你所给出的任意一步结果显示出来。
　　以上作介绍的方法是将所建立的模型进行布尔运算，使用glue命令将铸件和铸型粘贴在一起，这样的分析是一种近似的模拟过程，我们可以参考这样的分析结果进行实际铸造过程的控制来达到一种比较有利的铸造结果。

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