基于ANSYS软件铸造温场的数值模拟Word文档下载推荐.docx

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Keywords:

metalmoldcasting,temperaturefielddistribution，ANSYSsoftware，castingdefects

中文摘要Ⅰ

英文摘要Ⅱ

1绪论1

1.1问题的提出和研究意义1

1.2研究现状1

1。

2.1金属型铸造的应用与发展3

1.2.2铸造过程中温度场的计算机模拟4

1.3本文研究目的和研究内容5

1。

4铸造缺陷分类6

1.5ANSYS软件组成6

2数值模拟过程8

2。

1模拟方案的确定8

2实验内容9

2.1材料及参数的选择9

2构建数学模型10

2.2。

3网格划分11

4施加载荷与求解11

5后处理11

3实验结果与讨论13

3。

1铸造温度场的分布13

3.2金属型材料对铸造温度场的影响16

3金属型工作温度对铸造温度场的影响22

4结论与展望28

4。

1结论28

4.2展望28

致谢29

参考文献30

1绪论

1.1问题的提出和研究意义

铸造是制造业的基础,也是国民经济的基础产业，各行业都离不开铸件,从汽车、机床，到航空、航天、国防以及人们的日常生活,如建筑五金、家用电器等等都需要铸件。

没有高质量的铸件,就不可能有好的装备[1］。

铸造是高温金属液填充铸型型腔,并在其中凝固冷却的过程.此过程包括许多用肉眼难以直接观察，对铸件质量产生重要影响的物理、化学作用。

长期以来由于缺乏直接考察这一过程的有效手段，在生产各类铸件时，主要凭技术人员的经验进行铸造工艺设计和铸件质量分析，铸造水平长期停留在凭经验组织生产阶段.尤其在大批、大量铸件生产之前,一般先试制3~5件，解剖分析，修改铸造工艺，再试制，再解剖检查,确认铸造工艺没问题后，才批量生产。

因此，存在新产品试制周期长、工装调修量大、铸件质量不稳定、生产成本高等一系列问题，已经满足不了市场经济发展的需要[2］。

针对上述问题，近年来，计算机已经介入铸造这一古老而又落后的行业.利用这种先进的方法对铸造凝固过程进行数值模拟,可以预测缩孔、缩松出现的可能性。

如果能在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、大小及发生时间进行有效的预测，进而对现有工艺进行优化分析，从而在实际生产前就采取对策,确保铸件质量,这无疑对铸造生产来说具有非常重要的意义[3］.计算机模拟技术使得这一梦想变成为现实，通过计算机数值模拟技术在铸件生产中的应用，提高了铸件质量，缩短了产品研制周期，节约了材料成本，取得了可观的效益［4]。

2研究现状

1.2。

1金属型铸造的应用与发展

金属型铸造是利用重力将液态金属（合金／浇注入金属材质的铸型中，并在重力的作用下凝固成型以获得铸件的一种铸造方法。

在永久型铸造中,金属型铸造是应用得最广泛的方法,特别是铝、镁合金的金属型与砂型铸造已居于同等重要的地位.由于轻台金金属型铸件的质量（机械性能、针孔度，尺寸精度与表面光洁度等）显著地优于砂型铸件，同时，金属型的寿命（浇注次数）很长，可达数千次到数万次，因此在中小型铸件的成批生产中，大都采用金属型铸造［5].

在设计金属型及制订铸造工艺方案时，必须考虑到它的特点，这样才能合理地解决铸型结构和铸造工艺问题．获得质量优良的铸件.和砂型比较起来，金属型具有下列一些特点：

（1）金属型材质的导热系数和热容量很大,使浇入的液态金属很快冷却，迅速地丧失了流动性，；

降低了充填铸型的能力。

故铸型使用时必须加热到一定的高乱并且各浇注周期之间应保持热平衡。

（2）金属型对于铸件凝固冷却产生的收缩没有退让性,容易使铸件产生很大的内应力,甚至可能产生变形和裂纹．故要求能迅速地拔芯和取出铸件。

同时也使得能应用的铸造合金受到限制,某些易热裂的合金不适宜采用金属型铺造。

（3）金属材料无透气性，必须在结构上采用特殊的措施，来排出型腔中的空气和砂芯发生的气体.

（4）金属型能采用垂直及互相垂直的分型面或多分卫面的结构，有更大的可能来满足对铸型结构的要求,使铸造工艺更趋合理。

（5）金属型铸造是多次重复浇注，所以铸件出型时不允许损坏铸型也不应使铸件本身受到损伤.为此铸型上常常采用多种活块、或多分面的结构.

（6）金属型铸件的冷却条件．可以方便地利用涂料进行调整。

采用这种工艺措施,可获得更完好的而且冶金质量更高的铸件。

（7）金属型制造复杂，成本高，必须从结构上和工艺上保证它有足够长的寿命，这样在经济上才合算［6]。

2铸造过程中温度场的计算机模拟

在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷的产生于这一过程.凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测与控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率非常重要。

铸件的质量及许多铸造缺陷与铸件凝固冷却过程中的温度场及其变化规律有关。

对铸件温度场的数值摸拟，不但可使人们能更好地控制凝固过程获得优质铸件,而且也是铸件形成过程中其它摸拟（如对流场、应力场）的基础[7］.

3本文研究目的和研究内容

本文以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究对象，采用有限单元法,利用ANSYS软件,将铸件凝固过程的温度场,真实直观地展现出来，并结合缺陷的产生机理，对具体铸件进行缺陷预测。

4铸造缺陷分类

在铸造生产中，常见的铸件缺陷有100多种。

我国国家标准GB/T5611-1998《铸造术语》根据铸件缺陷的形貌特征将其分为8大类：

①多肉类缺陷，②孔洞类缺陷,③裂纹、冷隔类缺陷,④表面类缺陷,⑤残缺类缺陷,⑥形状及重量差错类缺陷,⑦夹杂类缺陷，⑧性能，成分及组织不合格类缺陷[8］。

现分析如下：

1多肉类缺陷

多肉类缺陷是铸件表面各种多肉类缺陷的总称，主要有：

飞翅（飞边、披缝）、毛刺、外渗物（外渗豆）、粘模多肉、冲砂、掉砂、胀砂、抬型（抬箱）等。

1.4.2孔洞类缺陷

孔洞类缺陷是在铸件表面和内部产生的不同大小、形状的孔洞类缺陷类总称,主要有气孔、气缩孔、针孔、表面针孔、皮下针孔、呛火、收缩缺陷、缩孔、疏松（显微疏松）、渗漏等。

4.3裂纹、冷隔类缺陷

裂纹、冷隔类缺陷主要有:

冷裂、热裂、缩裂（收缩裂纹）、热处理裂纹、网状裂纹（龟裂）、白点（发裂）、冷隔、浇注断流、重皮等。

1.4.4表面类缺陷

表面类缺陷是铸件表面上产生的各种缺陷的总称，主要有表面粗糙、粘砂、化学粘砂、机械粘砂（渗透粘砂）、夹砂结疤（夹砂）、涂料结疤、沟槽、粘型、龟裂（网状花纹）、流痕（水纹）、缩陷、鼠尾、印痕、皱皮、拉伤等.

1.4.5残缺类缺陷

残缺类缺陷是铸件由于各种原因造成的外形缺损缺陷的总称,主要有：

浇不到（浇不足）、未浇满、型漏、损伤、跑火、漏空等。

1.4。

6形状及重量差错类缺陷

形状及重量差错类缺陷主要有：

铸件变形、形状不合格、尺寸不合格、拉长、挠曲、错型（错箱）、错芯、偏芯（漂芯）、型芯下沉、串皮、型壁移动、春移、缩沉、缩尺不符、坍流、铸件重量不合格（超重）等。

7夹杂类缺陷

夹杂类缺陷是铸件中各种金属和非金属夹杂物的总称。

通常是氧化物、硫化物、硅酸盐等杂质颗粒机械地保留在固体金属中内，或凝固时在金属内形成,或在凝固后的反应中，在金属内形成。

主要有夹杂物（内生夹杂物和外生夹杂物）、夹渣、黑渣、涂料渣孔、冷豆、磷豆、内渗物（内渗豆）、砂眼、锡豆、硬点、渣气孔等。

8性能，成分及组织不合格类缺陷

性能,成分及组织不合格类缺陷主要有：

物理、力学性能不合格、化学成分不合格、金相组织不合格、白边过厚、菜花头、断晶、反白口、过烧、巨晶、亮皮、偏析、反偏析、正偏析、宏观偏析、微观偏析、重力偏析、晶间偏析（晶界偏析）、晶内偏析（枝晶偏析）、球化不良、球化衰退、组织粗大、石墨粗大、石墨集结、铸态麻口、石墨漂浮、表面脱碳等[9]。

5ANSYS软件组成

1.5.1ANSYS简介

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件.由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。

它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN,Alogor，I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一[10-12］。

5。

2ANSYS软件组成

软件主要包括三个部分：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型；

分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；

后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

（1）前处理模块PREP7

双击实用菜单中的“Preprocessor"

进入ANSYS的前处理模块。

这个模块主要有两部分内容：

实体建模和网格划分。

实体建模：

ANSYS程序提供了两种实体建模方法:

自顶向下与自底向上。

自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点.用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。

无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。

ANSYS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。

在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。

ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。

附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。

自底向上进行实体建模时,用户从最低级的图元向上构造模型，即:

用户首先定义关键点,然后依次是相关的线、面、体.

网格划分：

ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。

包括四种网格划分方法：

延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。

延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。

映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格.ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分,避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。

自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差,直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。

（2）求解模块SOLUTION

前处理阶段完成建模以后,用户可以在求解阶段获得分析结果。

点击快捷工具区的SAVE_DB将前处理模块生成的模型存盘，退出Preprocessor，点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。

在该阶段，用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。

ANSYS软件提供的分析类型如下：

①结构静力分析

用来求解外载荷引起的位移、应力和力。

静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。

ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

②结构动力学分析

结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。

与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响.ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：

瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

③结构非线性分析

结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化.ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

④动力学分析

ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。

当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。

⑤热分析

程序可处理热传递的三种基本类型：

传导、对流和辐射。

热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。

⑥电磁场分析

主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。

还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域.

⑦流体动力学分析

ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。

分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。

并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示.另外,还可以使用三维表面效应单元和热－流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。

⑧声场分析

程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性.这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。

⑨压电分析

用于分析二维或三维结构对AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。

这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析.可进行四种类型的分析:

静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。

（3）后处理模块POST1和POST26

ANSYS软件的后处理过程包括两个部分：

通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26.通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。

这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。

①通用后处理模块POST1

点击实用菜单项中的“GeneralPostproc"

选项即可进入通用后处理模块。

这个模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。

例如，计算结果（如应力）在模型上的变化情况可用等值线图表示,不同的等值线颜色，代表了不同的值（如应力值）。

浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区（如应力范围），清晰地反映了计算结果的区域分布情况。

②时间历程响应后处理模块POST26

点击实用菜单项中的TimeHistPostpro选项即可进入时间历程响应后处理模块。

这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果,如节点位移、应力或支反力.这些结果能通过绘制曲线或列表查看。

绘制一个或多个变量随频率或其它量变化的曲线,有助于形象化地表示分析结果。

另外，POST26还可以进行曲线的代数运算［13］。

2数值模拟过程

1模拟方案的确定

本试验采用ANSYS9。

0有限元分析软件，对带轮（图2。

1）铸造的浇注过程进行温度场模拟。

模拟方案如下：

第一步：

建立工作文件名和工作标题

第二步：

定义单元类型

第三步：

定义材料性能参数

第四步：

创建几何模型，划分网络

第五步：

加载求解

第六步:

查看求解结果

图2.1带轮零件图

2数值模拟的内容

2.2.1材料及参数的选择

表2。

1带轮材料的热性能参数

温度℃

导热系数Ｗ/ｍ·

℃

焓Ｊ/m3

25

28。

8

1533

31。

2

7.5E9

1595

24.5

9。

6E9

1670

1E10

表2.1金属型材料热性能参数

金属型材料

密度kg/m3

比热J/kg·

灰口铸铁

47.7

7200

461

铸工业纯铜

378

8930

385

2.2构建数学模型

生成四个矩形面：

（1）选择UtilityMenu/PlotCtrls/Style/Colors/ReverseVedio命令。

（2）选择MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Rectangle/By/

Dimensions命令，出现CreateRectangleByDimensions对话框。

参照图2。

2进行设置.

图2.2生成矩形面对话框

（3）单击Apply按钮，在X1,X2X—coordinates输入框中输入0。

15，0。

325,在Y1,Y2Y-coordinates输入框中输入0。

15，0.225。

（4）单击Apply按钮,在X1,X2X—coordinates输入框中输入0。

325,0。

375，在Y1，Y2Y-coordinates输入框中输入0.05,0.375。

（5）单击Apply按钮,在X1，X2X-coordinates输入框中输入0，0。

405，在Y1,Y2Y-coordinates输入框中输入-0.03，0.53,单击OK键关闭该对话框。

（6）面相加操作:

选择MainMenu/Preprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Add/Areas,弹出一个拾取框,单击PickAll按钮.

（7）选择UtilityMenu/Plot/Lines命令，显示所有线段。

（8）打开线编号:

选择UtilityMenu/PlotCtrls/Number,弹出PlotNumberingControls对话框，选择LineNumber复选框，单击Ok按钮.

（9）线倒角：

选择MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Lines/LineFillet命令,出现LineFillet菜单，选择编号为L14,L7的线段，单击Apply按钮，出现如图2。

3所示的LineFillet对话框，输入RAD=0。

025,单击Apply按钮,重复上述操作，对线L7与L16，L5与L13，L5与L15倒角。

（10）打开关键点编号：

选择选择UtilityMenu/PlotCtrls/Number,弹出PlotNumberingControls对话框，选择KeypointNumber复选框。

（11）生成圆弧线：

选择

MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Lines/Arcs/ByEndKPs&

Rad，弹出一个拾取框,拾取编号为12与11的关键点,单击Apply按钮，拾取编号为10的圆弧中心点，单击Apply按钮，弹出如图2.4所示的ArcsByEndKPs&

Rad对话框，在RADRadiusofthearc输入框中输入0。

05，其余选项采用默认设置,单击Apply按钮，重复上述操作对编号为9，10及12的关键点生成圆弧,最后单击Ok按钮。

图2。

3线倒角对话框

图2.4生圆弧线段对话框

（12）由线生成面:

选择MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Arbitrary/ByLines，弹出一个拾取框，拾取编号为17,18,19的线段,单击Apply按钮，拾取编号为20，21，22的线段，单击Apply按钮重复上述过程，对线“23，24，25”，“26，27，28”,“11，29”，“9,30”进行生成面的操作，最后单击Ok按钮。

（13）面相加:

选择MainMenu/Preprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Add/Areas，弹出一个拾取框,单击PickAll按钮。

（14）选择UtilityMenu/PlotCtrls/style/Colors/ReverseVedio命令，生成的结果如图2.5所示。

2.2.3网络划分

（1）选择

MainMenu/Preprocessor/Meshing/SizeCntrls/ManualSize/Global/Size命令，出现GlobalElenentSizes对话框，在SIZEElement