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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行模擬，對優(yōu)化鑄造工藝，預測和控制鑄件質(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(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(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，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(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(lián)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(jié)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(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(shù)設定，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 | |
|
溫度 參數(shù) |
50 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 |
|
熱傳導 系數(shù) |
51.1 | 50.7 | 48.1 | 45.6 | 41.9 | 38.1 | 33.9 | 30.1 |
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(wǎng)格劃分，用同樣的方法選擇2，然后對鑄件進行自由網(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，否則將導致計算的失敗，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(shù)與網(wǎng)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(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：
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(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，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(jié)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(shù)值為：
| 全部側(cè)面 | 全部頂面 | 全部底面 |
| 8 | 10 | 7 |
Mainmenu>solution>loadstepopts>timefrequenc>time-timestep,時間為2400s,步長為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，在這里所做的運算都是計算機運行的程序，在結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果。
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