鑄造模型的溫度場(chǎng)有限元分析

鑄造模型的溫度場(chǎng)有限元分析

　　鑄造過程是一個(gè)液態(tài)金屬充填鑄型型腔的過程，本次介紹的是不包括液態(tài)金屬流過型腔并且冷卻的過程，不考慮液體流動(dòng)過程，僅僅是模擬在金屬液體全部充滿后冷卻的過程，這個(gè)過程是包含了許多對(duì)鑄件質(zhì)量有重要影響的物理過程和現(xiàn)象。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中由于缺乏考察這一過程，并且對(duì)整個(gè)冷卻凝固過程沒有確切的數(shù)據(jù)說明，只能依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)積累和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，因此阻礙了鑄造行業(yè)的發(fā)展。如果能對(duì)鑄造過程進(jìn)行模擬，對(duì)優(yōu)化鑄造工藝，預(yù)測(cè)和控制鑄件質(zhì)量和各種逐漸缺陷以及提高生產(chǎn)效率都非常重要。凝固過程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬可以實(shí)現(xiàn)以下目的：提供澆注沖型時(shí)序圖，凝固過程可視化，預(yù)測(cè)縮孔，縮松等宏觀缺陷，為預(yù)測(cè)鑄造應(yīng)力，微觀組織等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析評(píng)價(jià)并通過控制凝固條件優(yōu)化鑄造工藝，減少工藝準(zhǔn)備失誤率，縮短試制周期，降低試制成本。所以對(duì)鑄造模型的溫度場(chǎng)的模擬是十分有必要且意義重大。
　　鑄造過程的溫度場(chǎng)的模擬主要取決于熱傳導(dǎo)的問題，這個(gè)過程主要是液態(tài)鑄件的冷卻凝固過程與鑄型的溫度不斷上升的過程，此過程為熱傳導(dǎo)，所以對(duì)于溫度場(chǎng)的模擬主要抓住熱傳導(dǎo)理論。對(duì)于具體問題要具體對(duì)待，對(duì)于熱傳導(dǎo)問題主要考慮對(duì)流散熱系數(shù)的選取，也就是邊界條件，其中邊界條件分三類：
　　第一類邊界條件----溫度邊界條件，即物體與外界接觸周界的溫度已知。這類邊界條件稱為狄利克萊問題。
　　第二類邊界條件----導(dǎo)熱邊界條件，即物體邊界在法線方向上的比熱流量已知。這類邊界條件成為牛曼問題。
　　第三類邊界條件----熱交換邊界條件，即在邊界上已知物體與外部介質(zhì)的熱交換情況。設(shè)邊界外周圍介質(zhì)的溫度為T已知，介質(zhì)與物體之間的熱交換系數(shù)為α,物體的熱傳導(dǎo)系數(shù)為λ，則在邊界上的熱交換條件為：
　　此類邊界問題又稱為勞平問題。高溫零件的受熱邊界大多屬于第三類邊界條件。所以本次鑄造過程的溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬所施加的邊界條件為第三類邊界條件。
　　下面就本次模擬的過程以及分析過程詳細(xì)說明名如下，其中主要是在Ansys中的分析。
　　1.使用Glue方法模擬溫度場(chǎng)
　　一、建立模型
　　如圖所示，此模型具有對(duì)稱性，且考慮到計(jì)算的簡(jiǎn)化，故將此模型取一半，圖中所示的面為對(duì)稱面，在建立模型的時(shí)候主要考慮到模型的具體形狀，在ansys中建模時(shí)候又諸多困難，其中主要原因?yàn)閍nsys所作的是有限元分析，是用數(shù)值模擬實(shí)際問題，本身帶有近似解的可能，所以對(duì)于模型的近似程度要求很高，在理論上應(yīng)該是完全按照實(shí)際的模型進(jìn)行，即是實(shí)體模型和有限元模型之間的緊密聯(lián)系，所以在建模的時(shí)候不允許有任何的不匹配，導(dǎo)致在ansys中建模有諸多的不利因素，但是這也恰恰保證了在ansys中所建立的模型直接應(yīng)用于計(jì)算的準(zhǔn)確性，得出正確的結(jié)果，所以在ansys中建模時(shí)對(duì)于較為簡(jiǎn)單的模型應(yīng)該盡量在ansys中建模，這樣可以保證在分析時(shí)導(dǎo)致太多的錯(cuò)誤，使結(jié)果趨于穩(wěn)定，然而在現(xiàn)實(shí)中有很多的實(shí)際結(jié)構(gòu)是很復(fù)雜的，這樣必然導(dǎo)致了在ansys中建立模型的困難程度，但是這并不影響后面的分析，因?yàn)樵赼nsys中有很多的接口可以提供用戶使用。比如說最常用的格式有iges,catia,pro/e,ug,sat等，這樣的就可以在專用繪圖軟件中建立模型，然后在將其導(dǎo)入到ansys中，簡(jiǎn)單修改后就可以進(jìn)行分析。 　　二、分析前處理
　　1.將上述所建立的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，使用glue命令，將鑄件和鑄型用glue的方法進(jìn)行粘貼在一起，這樣的時(shí)候就可以將鑄件和鑄型成為一體，然后進(jìn)行分析。命令為：
　　GUImainmenu>preprocessor>operate>glue>volumes
　　在完成布爾運(yùn)算之后進(jìn)行熱物性參數(shù)設(shè)定，使用命令：
　　GUImainmenu>preprocessor>materialprops>materialmodels…
　　所用到的參數(shù)如下表：L

材料參數(shù) 溫度℃	熱傳導(dǎo)系數(shù)w/m℃	焓J/m
鑄件材料	鋁
0	236	0
550	218	1.6532e9
615	214	2.9424e9
700	205	3.1978e9
鑄型材料	鋼
0	表3-1	0
200		7.284e8
400		1.4568e9
700		2.5494e9

表3-1

溫度 參數(shù)	50	100	200	300	400	500	600	700
熱傳導(dǎo) 系數(shù)	51.1	50.7	48.1	45.6	41.9	38.1	33.9	30.1

定義完成參數(shù)后就需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格前應(yīng)首先定義硬點(diǎn)，使用命令如下：　　GUImainmenu>preprossessor>create>keypoint>hardpointwitharea在這里建立硬點(diǎn)原因是因?yàn)榇四Ｐ蜑樵囼?yàn)?zāi)Ｐ�，在試�?yàn)時(shí)通過傳感器可以測(cè)量鑄件在不同時(shí)刻的溫度，這些溫度試驗(yàn)數(shù)值已經(jīng)測(cè)出，所以建立硬點(diǎn)就是試驗(yàn)時(shí)所安裝的傳感器的位置，這樣的模擬在完成后就可以通過硬點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化和實(shí)際傳感器的溫度數(shù)據(jù)通過繪制曲線，來檢測(cè)模擬的結(jié)果是否正確，其中建立硬點(diǎn)的位置如下圖： 　　在試驗(yàn)過程中，傳感器所在的位置為8、6、5、2號(hào)通道，所以圖中所示的就是所要?jiǎng)澐值挠颤c(diǎn)的位置，硬點(diǎn)坐標(biāo)見表3-2，建立完成硬點(diǎn)后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，命令：
　　GUImainmenu>prepeossessor>meshtool在elementattributes中選擇set在mat中選擇1,然后點(diǎn)擊mesh后選取鑄件，對(duì)鑄件進(jìn)行自由的網(wǎng)格劃分，用同樣的方法選擇2，然后對(duì)鑄件進(jìn)行自由網(wǎng)格的劃分，在這里要提醒的是在劃分網(wǎng)格的時(shí)候要注意鑄件和鑄型為兩種材料，應(yīng)該按照所給的材料來定義網(wǎng)格，這樣劃分的網(wǎng)格才是與所給出的材料特性相對(duì)應(yīng)，否則將導(dǎo)致計(jì)算的失敗，下圖就是分別劃分網(wǎng)格的結(jié)果，所選用的單元為三角單元，單元類型solid70,大小為smartsize=6,劃分完單元后如下圖： 　　硬點(diǎn)坐標(biāo)見下表

坐標(biāo) 硬點(diǎn)	X	Y	Z
8號(hào)	146mm	102mm	50mm
6號(hào)	199mm	116mm	50mm
5號(hào)	250mm	130mm	50mm
2號(hào)	301mm	144.5mm	50mm

以上的工作是在前處理中，所以保證以上的參數(shù)與網(wǎng)格的劃分保證正確的前提下就可以進(jìn)行進(jìn)行以下的計(jì)算了，下面進(jìn)行分析階段

　　在分析時(shí)要進(jìn)入solution求解模塊，首先，選定瞬態(tài)分析選項(xiàng)，全牛頓拉普拉選項(xiàng)，因?yàn)殍T造模型過程是一個(gè)非線性過程，而且是一個(gè)瞬態(tài)分析，所以使用命令：
　　GUImainmenu>solution>analysistype>newanalysis>transient
　　在選擇完這一個(gè)過程后，就需要進(jìn)行初始條件的確定，鑄件和鑄型的初始溫度，鑄件為澆筑穩(wěn)定后的溫度650度，而鑄型的溫度為30度，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>intianlcondition>define>pickall,選擇鑄件的節(jié)點(diǎn)，在這里需要注意的是在約束時(shí)候選擇x,y,z方向的約束，不要將temp選中，因?yàn)樵跓岱治鲋袦囟纫彩亲鳛橐粋�(gè)自由度追加在節(jié)點(diǎn)上，如果將溫度也選中的話，那整個(gè)模型將不會(huì)傳熱，導(dǎo)致計(jì)算失敗，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>displacement>nodes>pickall,選擇UX/UY/UZ來施加約束。
　　完成約束后，就需要施加對(duì)流邊界條件，數(shù)值為：
 

全部側(cè)面	全部頂面	全部底面
8	10	7

將上述條件施加完成后，就可以進(jìn)行時(shí)間常數(shù)的確定，命令：　　GUImainmenu>solution>loadstepoption>outputctrls>DB/resultfile選擇everysubstep,
　　Mainmenu>solution>loadstepopts>timefrequenc>time-timestep,時(shí)間為2400s,步長(zhǎng)為10，最大為20，最小為5。
　　結(jié)果后處理
　　完成上述操作后，我們就可以得到結(jié)果，在這里所做的運(yùn)算都是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序，在結(jié)果后處理我們可以對(duì)問題進(jìn)行以云圖的方式顯示，還以將所設(shè)定的硬點(diǎn)試驗(yàn)曲線繪制，以及整個(gè)溫度變化過程的顯示，動(dòng)畫，圖片的捕捉，命令：
　　GUImainmenu>generalpostroc>firstset,還可以使用
　　GUImainmenu>generalpostroc>byloadset,這樣可以通過你所給出的任意一步結(jié)果顯示出來。
　　以上作介紹的方法是將所建立的模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，使用glue命令將鑄件和鑄型粘貼在一起，這樣的分析是一種近似的模擬過程，我們可以參考這樣的分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)際鑄造過程的控制來達(dá)到一種比較有利的鑄造結(jié)果。

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