计算机在材料科学中的应用上机实验八Word格式.docx

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计算机在材料科学中的应用上机实验八Word格式.docx

Thisisatransientheattransferanalysisofacastingprocess. 

Theobjectiveistotrackthetemperaturedistributioninthesteelcastingandthemoldduringthesolidificationprocess,whichoccursoveradurationof4hours. 

ThecastingismadeinanL-shapedsandmoldwith4inchthickwalls. 

Convectionoccursbetweenthesandmoldandtheambientair.

Given

MaterialPropertiesforSand

Conductivity(KXX)

0.025Btu/(hr-in-oF)

Density(DENS)

0.054lb/in3

Specificheat(C)

0.28Btu/(lb-oF)

Conductivity(KXX)forSteel

at0oF

1.44Btu/(hr-in-oF)

at2643oF

1.54

at2750oF

1.22

at2875oF

Enthalpy(ENTH)forSteel

0.0Btu/in3

128.1

163.8

174.2

InitialConditions

Temperatureofsteel

2875oF

Temperatureofsand

80oF

ConvectionProperties

Filmcoefficient

0.014Btu/(hr-in2-oF)

Ambienttemperature

ApproachandAssumptions

A2-Danalysisofaoneunitthickslicewillbeperformed. 

Halfsymmetryisusedtoreducethesizeofthemodel. 

Thelowerhalfistheportionmodeled.

Themoldmaterial(sand)hasconstantmaterialproperties. 

Thecasting(steel)hastemperature-dependentthermalconductivityandenthalpy;

bothareinputinatableofvaluesversustemperature. 

Theenthalpypropertytablecapturesthelatentheatcapacityofthemetalasitsolidifies. 

Radiationeffectsareignored.

Solutioncontrolisusedtoestablishseveralnonlinearoptions,includingautomatictimestepping. 

Automatictimesteppingdeterminesthepropertimestepincrementsneededtoconvergethephasechangenonlinearity. 

Thismeansthatsmallertimestepsizeswillbeusedduringthetransitionfrommoltenmetaltosolidstate.

3.1.3.PrepareforaThermalAnalysis

改变工作文件名:

UtilityMenu>

file>

ChangeJobname>

Casting×

×

Newloganderrorfiles?

Yes

3.1.3.1.Step1:

Setpreferences.

ToSetPreferences:

1.MainMenu>

Preferences

2.(check)“Individualdiscipline(s)toshowintheGUI”=Thermal

3.[OK]

3.1.4BuildGeometry

1. 

Definekeypoints.

Totakeadvantageofsymmetryinthisproblem,modelonlyhalfofthe"

L."

First,constructthetrapezoidrepresentingtheoutlineofthemoldbydefiningthefourcornerpointsofthetrapezoidandthendefininganareaconnectingthesefourkeypoints.

1.MainMenu:

Preprocessor-Modeling-Create--Keypoints 

--InActiveCS

2.Enter1forkeypointnumber 

3.Enter0,0,0forcoordinatelocations 

4.Applytodefinekeypoint1(keypointwillbeat0,0,0) 

5.Enter2forkeypointnumber 

6.Enter22,0,0forcoordinatelocations 

7.Applytodefinekeypoint2 

8.Enter3forkeypointnumber 

9.Enter10,12,0forcoordinatelocations 

10.Applytodefinekeypoint3 

11.Enter4forkeypointnumber 

12.Enter0,12,0forcoordinatelocations 

13.OK 

Removetheglobaltriadsymbolsothatitwon'

tobscuretheviewofthekeypointattheorigin.

14.UtilityMenu:

PlotCtrls 

--WindowControls 

--WindowOptions

15.SetlocationoftriadtoNotshown 

16.OK 

.

2. 

Createareasformoldandcasting.

Nowcreateanareaforthemoldbyconnectingthefourkeypoints.

Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Arbitrary--ThroughKPs

2.Pickkeypoints1through4insequentialorder. 

Youcanseethelinesformasyoupick.

3.OKtocreatearea(inpickingmenu)

4.Toolbar:

SAVE_DB

Tocreatetheareaforthecasting,"

carveout"

theareafromthefirstarea. 

Thisisdonebycreatingarectangleprimitive(don'

tworryabouttheexactdimensionsontherightside;

itcanbelongerthanitneedstobe),overlappingtheareas(Booleanoperation),andthendeletingtheextraneousarealeftover.

5.MainMenu:

Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Rectangle-ByDimensions

6.Enter4and22forX-coordinates 

7.Enter4and8forY-coordinates 

8.OK 

9.UtilityMenu:

PlotCtrls- 

Numbering

10.Turnonkeypointnumbers 

11.Turnonareanumbers 

12.OK 

13.UtilityMenu:

Plot- 

Areas

14.MainMenu:

Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Overlap-Areas

15.PickAlltochoosebothareasforoverlapping 

16.MainMenu:

Preprocessor-Modeling-Delete-AreaandBelow

17.Pickarea3

18.OK(inpickingmenu)todeletearea3

19.UtilityMenu>

Saveas

Casting×

geom.db

3.1.5.DefineMaterials

3.1.5.1.Step3:

Definematerialproperties.

Definethesandmoldmaterialpropertiesasmaterialnumber1.Thesearenotfunctionsoftemperature.

Preprocessor>

MaterialProps>

MaterialModels

2.(double-click)“Thermal”,then“Conductivity”,then“Isotropic”

3.“KXX”=0.025

4.[OK]

5.(double-click)“SpecificHeat”

6.“C”=0.28

7.[OK]

8.(double-click)“Density”

9.“DENS”=0.54

10.[OK]

Note

PCUsers:

YoucanviewademoondefiningonematerialmodelbypointingyourInternetExplorerbrowsertothefollowingURLaddress:

Themetalcastingisdefinedasmaterialnumber2.Thesepropertieschangesignificantlyasthemetalcoolsdownfromtheliquidphasetothesolidphase.Therefore,theyareenteredinatableofpropertiesversustemperature.

Firstdefinethetemperaturedependentthermalconductivity.

11.Material>

NewModel

12.“DefineMaterialID”=2

13.[OK]

14.(double-click)“Isotropic”

15.[AddTemperature]threetimestocreatefieldsforthefourtemperatures.

16.“T1”=0

17.“T2”=2643

18.“T3”=2750

19.“T4”=2875

20.“KXX”at“T1”=1.44

21.“KXX”at“T2”=1.54

22.“KXX”at“T3”=1.22

23.“KXX”at“T4”=1.22

YouwillnowcopythefourtemperaturessoyouwillbeabletopastethemintotheEnthalpydialogbox.

24.Selectthetemperaturesbyholdingtheleftmousebuttonanddraggingacrossthetemperaturerowsothattherowishighlighted.

25.[Ctrl]then[c]tocopythetemperatures.

26.[OK]

Next,definethetemperaturedependententhalpy.

27.(double-click)“Enthalpy”

28.[AddTemperature]threetimestocreatefieldsforthefourtemperatures.

29.PastethetemperaturesintothedialogboxbyhighlightingtheT1temperaturefield,andpressing[Ctrl]then[v].

30.“ENTH”at“T1”=0

31.“ENTH”at“T2”=128.1

32.“ENTH”at“T3”=163.8

33.“ENTH”at“T4”=174.2

34.[OK]

YoucanviewademoonaddingatemperaturedependentmaterialmodelbypointingyourInternetExplorerbrowsertothefollowingURLaddress:

3.1.5.2.Step4:

Plotmaterialpropertiesvs.temperature.

1.(double-click)“Thermalconduct.(iso)”underMaterialModelNumber2.

2.[Graph]

YoucanviewademoongraphingatemperaturedependentmaterialmodelbypointingyourInternetExplorerbrowsertothefollowingURLaddress:

4.(double-click)“Enthalpy”undertherightorleftwindow.

5.[Graph]

6.[OK]

7.Material>

Exit

8.Toolbar:

SAVE_DB

3.1.5.3.Step5:

Defineelementtype.

YouwillnowdefinetheelementtypeasPLANE55.

ElementType>

Add/Edit/Delete

2.[Add...]

3.“ThermalSolid”(leftcolumn)

4.“Quad4node55”(rightcolumn)

5.[OK]

6.[Close]

7.UtilityMenu>

model.db

3.1.6.GenerateMesh

3.1.6.1.Step6:

Meshthemodel.

1.UtilityMenu>

Plot>

SpecifyaSmartSizeof4.ThiswillallowaslightlyfinermeshthanthedefaultandyettheresultingnumberofelementswillbewithintheANSYSEDprogramlimitsforthemaximumnumberofelements.

2.MainMenu>

Meshing>

MeshTool

3.(check)“SmartSize”

4.(slide)“FineCourse”=4

5.[Mesh]

Meshthemoldareafirst.Notethatthematerialattributereferencenumberdefaultsto1andthereisnoneedtosetattributesbeforemeshingthearea.

6.PickthemoldareaA5(Hint:

PlacethemousecursorontopoftheA5labelwhenyoupick--thisisthepicking"

hotspot,"

basedonthecentroidofthearea.).

7.

[OK]

Beforemeshingthecastingarea,setthematerialattributetothatofsteel(material2).

8.(dropdowninMeshTool)“ElementAttributes”=Global,then[Set]

9.(dropdown)“Materialnumber”=2

11.UtilityMenu>

Areas

12.[Mesh]inMeshTool

13.PickareaA4

14.[OK]

15.[Close]inMeshTool

16.UtilityMenu>

Elements

Note:

Themeshyouobtainmayvaryslightlyfromthemeshshownhere.Asaresultofthis,youmayseeslightlydifferentresultsduringpostprocessing.Foradiscussionofresultsaccuracy,seePlanningYourApproachintheANSYSModelingandMeshingGuide.

Toverifythattheelementshavetherightmaterials,plotthemwithdifferentcolorsfordifferentmaterials.

17.UtilityMenu>

PlotCtrls>

Numbering

18.(dropdown)“Elem/Attribnumbering”=Materialnumbers

19.[OK]

theelementsofmat

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