鑄造模型的溫度場有限元分析

鑄造模型的溫度場有限元分析 鑄造過程是一個液態(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，不考慮液體流動過程，僅僅是模擬在金屬液體全部充滿后冷卻的過程，這個過程是包含了許多對鑄件質(zhì)量有重要影響的物理過程和現(xiàn)象。在長期的生產(chǎn)實踐中由于缺乏考察這一過程，并且對整個冷卻凝固過程沒有確切的數(shù)據(jù)說明，只能依靠設(shè)計者的經(jīng)驗積累和現(xiàn)場試驗，因此阻礙了鑄造行業(yè)的發(fā)展。如果能對鑄造過程進(jìn)行模擬，對優(yōu)化鑄造工藝，預(yù)測和控制鑄件質(zhì)量和各種逐漸缺陷以及提高生產(chǎn)效率都非常重要。凝固過程溫度場數(shù)值模擬可以實現(xiàn)以下目的：提供澆注沖型時序圖，凝固過程可視化，預(yù)測縮孔，縮松等宏觀缺陷，為預(yù)測鑄造應(yīng)力，微觀組織等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析評價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。所以對鑄造模型的溫度場的模擬是十分有必要且意義重大。鑄造過程的溫度場的模擬主要取決于熱傳導(dǎo)的問題，這個過程主要是液態(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)，所以對于溫度場的模擬主要抓住熱傳導(dǎo)理論。對于具體問題要具體對待，對于熱傳導(dǎo)問題主要考慮對流散熱系數(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方法模擬溫度場一、建立模型如圖所示，此模型具有對稱性，且考慮到計算的簡化，故將此模型取一半，圖中所示的面為對稱面，在建立模型的時候主要考慮到模型的具體形狀，在ansys中建模時候又諸多困難，其中主要原因為ansys所作的是有限元分析，是用數(shù)值模擬實際問題，本身帶有近似解的可能，所以對于模型的近似程度要求很高，在理論上應(yīng)該是完全按照實際的模型進(jìn)行，即是實體模型和有限元模型之間的緊密聯(lián)系，所以在建模的時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)用于計算的準(zhǔn)確性，得出正確的結(jié)果，所以在ansys中建模時對于較為簡單的模型應(yīng)該盡量在ansys中建模，這樣可以保證在分析時導(dǎo)致太多的錯誤，使結(jié)果趨于穩(wěn)定，然而在現(xiàn)實中有很多的實際結(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，因為在ansys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023605502181.6532e96152142.9424e97002053.1978e9鑄型材料鋼0表3-102007.284e84001.4568e97002.5494e9表3-1溫度參數(shù)50100200300400500600700熱傳導(dǎo)系數(shù)51.150.748.145.641.938.133.930.1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，使用命令如下：GUImainmenu>preprossessor>create>keypoint>hardpointwitharea在這里建立硬點原因是因為此模型為試驗?zāi)Ｐ?，在試驗時通過傳感器可以測量鑄件在不同時刻的溫度，這些溫度試驗數(shù)值已經(jīng)測出，所以建立硬點就是試驗時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的溫度數(shù)據(jù)變化和實際傳感器的溫度數(shù)據(jù)通過繪制曲線，來檢測模擬的結(jié)果是否正確，其中建立硬點的位置如下圖：在試驗過程中，傳感器所在的位置為8、6、5、2號通道，所以圖中所示的就是所要劃分的硬點的位置，硬點坐標(biāo)見表3-2，建立完成硬點后進(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,然后點擊mesh后選取鑄件，對鑄件進(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應(yīng)，否則將導(dǎo)致計算的失敗，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：硬點坐標(biāo)見下表坐標(biāo)硬點XYZ8號146mm102mm50mm6號199mm116mm50mm5號250mm130mm50mm2號301mm144.5mm50mm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)行以下的計算了，下面進(jìn)行分析階段在分析時要進(jìn)入solution求解模塊，首先，選定瞬態(tài)分析選項，全牛頓拉普拉選項，因為鑄造模型過程是一個非線性過程，而且是一個瞬態(tài)分析，所以使用命令：