鑄造模型的溫度場有限元分析

時間：2024-07-27 05:37:51 化學畢業論文

鑄造模型的溫度場有限元分析

　　鑄造過程是一個液態金屬充填鑄型型腔的過程，本次介紹的是不包括液態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量有重要影響的物理過程和現象。在長期的生產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據說明，只能依靠設計者的經驗積累和現場試驗，因此阻礙了鑄造行業的發展。如果能對鑄造過程進行模擬，對優化鑄造工藝，預測和控制鑄件質量和各種逐漸缺陷以及提高生產效率都非常重要。凝固過程溫度場數值模擬可以實現以下目的：提供澆注沖型時序圖，凝固過程可視化，預測縮孔，縮松等宏觀缺陷，為預測鑄造應力，微觀組織等提供基礎數據，分析評價并通過控制凝固條件優化鑄造工藝，減少工藝準備失誤率，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的問題，這個過程主要是液態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，所以對于溫度場的模擬主要抓住熱傳導理論。對于具體問題要具體對待，對于熱傳導問題主要考慮對流散熱系數的選取，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的熱交換情況。設邊界外周圍介質的溫度為T已知，介質與物體之間的熱交換系數為α,物體的熱傳導系數為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，在理論上應該是完全按照實際的模型進行，即是實體模型和有限元模型之間的緊密聯系，所以在建模的時候不允許有任何的不匹配，導致在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用于計算的準確性，得出正確的結果，所以在ansys中建模時對于較為簡單的模型應該盡量在ansys中建模，這樣可以保證在分析時導致太多的錯誤，使結果趨于穩定，然而在現實中有很多的實際結構是很復雜的，這樣必然導致了在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，然后在將其導入到ansys中，簡單修改后就可以進行分析。　　二、分析前處理
　　1.將上述所建立的模型進行布爾運算，使用glue命令，將鑄件和鑄型用glue的方法進行粘貼在一起，這樣的時候就可以將鑄件和鑄型成為一體，然后進行分析。命令為：
　　GUImainmenu>preprocessor>operate>glue>volumes
　　在完成布爾運算之后進行熱物性參數設定，使用命令：
　　GUImainmenu>preprocessor>materialprops>materialmodels…
　　所用到的參數如下表：L

材料參數溫度℃	熱傳導系數w/m℃	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	50	100	200	300	400	500	600	700
熱傳導系數	51.1	50.7	48.1	45.6	41.9	38.1	33.9	30.1

定義完成參數后就需要進行網格劃分，在劃分網格前應首先定義硬點，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模型，在試驗時通過傳感器可以測量鑄件在不同時刻的溫度，這些溫度試驗數值已經測出，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據變化和實際傳感器的溫度數據通過繪制曲線，來檢測模擬的結果是否正確，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，硬點坐標見表3-2，建立完成硬點后進行網格的劃分，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，對鑄件進行自由的網格劃分，用同樣的方法選擇2，然后對鑄件進行自由網格的劃分，在這里要提醒的是在劃分網格的時候要注意鑄件和鑄型為兩種材料，應該按照所給的材料來定義網格，這樣劃分的網格才是與所給出的材料特性相對應，否則將導致計算的失敗，下圖就是分別劃分網格的結果，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：　　硬點坐標見下表

坐標硬點	X	Y	Z
8號	146mm	102mm	50mm
6號	199mm	116mm	50mm
5號	250mm	130mm	50mm
2號	301mm	144.5mm	50mm

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

　　在分析時要進入solution求解模塊，首先，選定瞬態分析選項，全牛頓拉普拉選項，因為鑄造模型過程是一個非線性過程，而且是一個瞬態分析，所以使用命令：
　　GUImainmenu>solution>analysistype>newanalysis>transient
　　在選擇完這一個過程后，就需要進行初始條件的確定，鑄件和鑄型的初始溫度，鑄件為澆筑穩定后的溫度650度，而鑄型的溫度為30度，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>intianlcondition>define>pickall,選擇鑄件的節點，在這里需要注意的是在約束時候選擇x,y,z方向的約束，不要將temp選中，因為在熱分析中溫度也是作為一個自由度追加在節點上，如果將溫度也選中的話，那整個模型將不會傳熱，導致計算失敗，命令：
　　GUImainmenu>solution>apply>displacement>nodes>pickall,選擇UX/UY/UZ來施加約束。
　　完成約束后，就需要施加對流邊界條件，數值為：

全部側面	全部頂面	全部底面
8	10	7

將上述條件施加完成后，就可以進行時間常數的確定，命令：　　GUImainmenu>solution>loadstepoption>outputctrls>DB/resultfile選擇everysubstep,
　　Mainmenu>solution>loadstepopts>timefrequenc>time-timestep,時間為2400s,步長為10，最大為20，最小為5。
　　結果后處理
　　完成上述操作后，我們就可以得到結果，在這里所做的運算都是計算機運行的程序，在結果后處理我們可以對問題進行以云圖的方式顯示，還以將所設定的硬點試驗曲線繪制，以及整個溫度變化過程的顯示，動畫，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果顯示出來。
　　以上作介紹的方法是將所建立的模型進行布爾運算，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果進行實際鑄造過程的控制來達到一種比較有利的鑄造結果。

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