基于ANSYS软件二次开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟研究

第33卷第5期四川大学学报(工程科学版)V ol.33N o.5 2001年9月JOURNA L OF SICH UAN UNI VERSITY(E NGI NEERI NG SCIE NCE E DITI ON)Sept.2001 文章编号:100923087(2001)0520047204
基于ANSY S软件二次开发的铸造充型和
凝固耦合过程数值模拟研究
齐　慧,杨　屹,蒋玉明
(四川大学制造科学与工程学院,四川成都610056)
摘　要:对于ANSY S软件的通用性和缺乏专业针对性的特点。

采用ANSY S提供的二次开发工具开发了中文界面的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟系统,实现了模块界面简洁和易操作性的预期功能,并证实了以ANSY S为平台开发专业模块的可行性。

关键词:ANSY S;二次开发;充型过程;数值模拟
中图分类号:TG702文献标识码:A
Developing System of Numerical Simulation of Mold Filling B ased on ANSYS
QI Hui,Y ANG Yi,JIANG Yu2ming
(C ollege of M anu facturing Sci.and Eng.,S ichuau Univ.,Chengdu610065,China)
Abstract:According to ANSY S’s features of universality and lack of speciality,a numerical simulation program for m odel2 ing filling process of casting is developed based on ANSY S.The program has terse interface in Chinese.The feasibility of developing special m odules is verified by the practical applications of the simulation system.
K ey w ords:ANSY S;redevelop;m old filling;numerical simulation
ANSY S软件是融热、电、磁、流体、结构、声学于一体的大型通用有限元分析软件。

具有强大的求解器和前、后处理功能,为解决复杂、庞大的工程项目提供了一个强有力的工具。

然而,正是由于ANSY S 的通用性特点,使其对铸造过程的有限元分析不具有针对性。

复杂的英文界面和繁琐的分析步骤都给从事铸造过程有限元分析的技术人员造成了很大的障碍。

因此,基于这些不便因素,在熟练应用ANSY S 软件的基础上,结合从事铸造充型过程数值模拟的实践经验,利用ANSY S内部提供的二次开发工具,
收稿日期:2001205229
作者简介:齐　慧(19762),女,硕士生.研究方向:模具C AD/C AE/
C AM及材料加工工艺.开发了中文界面的铸造充型过程流场数值模拟模块。

此模块以向导的方式来进行每一步骤,各步骤附有大量的帮助文件,充分体现了专业化、用户化、便捷化的特点。

1　开发环境
1.1　ANSY S参数设计语言(APD L)
APD L(ANSY S Parametric Design Language)是一种非常类似于F ortran77的参数化设计语言,用户可以用它执行一般任务,甚至可以按照命令建立自己的模型。

其核心内容为宏、参数、循环命令和条件语句。

利用APD L命令创建的宏(其文件后缀为.mac)方便的实现了调用G UI函数、给变量赋值以及调用另一个宏。

并建立了基本铸件模块库,实现了铸件
的3D造型部分。

1.2　ANSY S用户界面设计语言(UI D L)
UI D L(User Interface Design Language)主要帮助用户实现ANSY S图形用户界面(G UI)的用户化,以使用户开发的程序融入ANSY S环境。

通过把UI D L命令流写入控制文件(后缀为.G RN),来建立自定义的菜单、对话框和在线帮助。

下面就是开发的此模块主界面的部分UI D L语句:
:F practise.grn
:D Menu control file
:I15,4160,4560
:!
:N Men CF fluild
:S151,68,75
:T Menu
:A流场模拟向导
Fnc class check
Men my Preproc
Men F LOTRAN
Fnc Run F LOTRAN
Men my pos
:E E ND
1.3　ANSY S用户可编程特性(UPFs)
UPFs(User Programmable Features)提供了一套F ortran77函数和例程以扩展或修改程序的功能。

使用这些例程需要重新连接ANSY S程序从而产生ANSY S的用户自定义版本。

用户甚至可以编写自己的优化设计算法,将ANSY S程序作为子程序来调用。

此语言作者将在进行下一步的铸造工艺优化设计模块中用到。

2　模拟的意义及二次开发的主要模块2.1　模拟的意义[1]
金属液的充型过程是一个伴随着热量散失以及凝固的非恒温的流动过程。

在此过程中,流动在很大程度上影响着传热、凝固的进行;反过来,由于出现凝固会使流动域缩小,传热、凝固又影响着流动。

因此只有打破“瞬时充型”的假设将充型过程和凝固过程作为一个整体进行模拟计算,才能够提高模拟精度,准确的预测缺陷位置。

在充型计算过程中考虑金属液体实际充型过程的湍流性、不可压缩性和金属液体的粘度可变性。

并通过施加金属液与铸型间的热传导、型壁阻力、内浇道的入流速度及金属液体的背压力等边界条件,尽可能的使模拟的流体趋向于充型过程的真实流体。

为下一步的流热耦合提供凝固模拟的初始温度分布,进一步提高凝固模拟精度。

并可通过分析计算结果提供的的充型方式、速度分布、金属液和铸型内温度分布,预见浇不足、冷隔、缩孔等缺陷出现的可能性和位置,为优化工艺设计提供可靠的科学依据。

2.2　二次开发的主要模块
1)参数数据库。

由于很难确定金属液的高温参数,因此在查找大量的参考书和运用插值法确定了常见的铸造合金如铸铁、铸钢和铸铝的高温力学性能、高温热物性能和高温流体特性。

应用Delphi语言的通用性和良好的可移植性开发了与ANSY S集成的外部数据库,实现了常用铸造合金参数的方便输入;
2)温度载荷智能加载。

由于ANSY S并没有提供直接的铸造充型过程和凝固过程的单元类型转换和载荷转换,因此为了实现整个系统的连续性和智能性,通过利用ANSY S提供的APD L语言和UI D L语言及中间暗送文件把充型过程模拟结果的温度分布直接作为凝固过程模拟的初始温度载荷,实现了流热耦合温度载荷的自动加载;
3)缺陷判定及工艺优化。

根据温度场、温度梯度和与材料相关的缩孔/缩松判据(临界固相率法)估计是否产生缩孔/缩松及其大约位置和大小经综合分析后提出铸件铸造工艺的改进方案,经多次改进以后,系统推荐一个相对最优的铸造工艺方案。

3　数学模型的建立[2]
3.1　控制方程
铸造充型过程金属液的流动属于不可压缩粘性液体的非稳态流动,这一过程包含着动量传递、质量传递和能量传递,因此在进行求解时需要求解以下微分方程:
连续方程(质量守恒方程):
5ρ
5t+
5(ρμi)
5x i=0
动量守恒方程(Navier2Stokes方程):
5(ρμi)
5t+
5(ρμiμj)
5x j=-
5p
5x i+
5
5x jμ
5μi
5x j+μt
5μi
5x j+
5μj
5x i+ρg i
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能量方程:
5(ρc p T) 5t+
5
5x j(ρc pμj T)=
5
5x jλ+
μ
t c p
σ
t
5T
5x j+Q
式中,ρ为密度;x j为坐标分量;μj为x j方向上速度分量;λ为热导率;g i为x i方向上重力加速度分量;p 为压力;c p为比热;σt为常量;Q为源项;μ为动力粘度;μt为紊流粘度。

3.2　充型过程中流动性态的处理
根据金属液体的实际情况,标准的K-ε模型基本能够满足金属液流动的真实情况且模型结构简单,因此采用这一模型。

K-ε模型,即用两个紊流特征量(紊流动能K和紊流动能的耗散率ε)来表示动量守恒方程中的紊流粘度μt。

其表达式为:
μ
t =cμ
ρK2
ε
式中,cμ为经验常数。

确定K和ε的通用传输方程为:
5
5t(ρφ)+
5
5x j(ρμjφ)=
5
5x jΓ<
5φ
5x j+S<
式中,φ为通量;Γ<为传输系数;S<为源项。

对于紊流动能有:
φ=K,Γ<=μ+μ
t
σ
k
,S<=p k+ρε。

对于耗散率ε有:
φ=ε,Γ<=μ+μ
t
σε,S<=
ε
K
(c1p k-c2ρε)。

式中,σk,σε,c1,c2均为常量。

p k=μt 5μi
5x j
5μi
5x j+
5μj
5x i
4　模拟系统的总体结构
4.1　系统的总体结构图(图1)
4.2　系统的界面展示
在ANSY S平台上开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟系统具有与ANSY S一致的界面,如下所示。

图2为模块的主菜单和后处理的弹出式菜单。

图3为模块的向导21的类型核对对话框及其帮助文件。

5　结　论
1)通过开发以ANSY S为平台的铸造充型和凝固过程耦合数值模拟系统,证实了运用ANSY S
内部提供的APD L语言和UI D L语言进行开发专业模块的可行性,并且达到了模块界面简洁和易操作性的预期功能;
2)此系统具有一定的通用性和灵活性。

可以与ANSY S平台的其它内部模块和二次开发模块相集成;
3)充型过程和凝固过程的耦合计算打破了“瞬时充型”的假设,并把浇注系统和型腔作为一个整体来考虑,更趋于实际的模型结构,提高了模拟精度。

图1　系统的总体结构图
Fig.1　The princip al ch art of system
图2　模块的主菜单和后处理的弹出式菜单
Fig.2　Main menu and popup menu of postprocess
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第5期齐　慧,等:基于ANSY S软件二次开发的铸造充型和凝固耦合过程数值模拟研究
图3　系统的向导21的类型核对对话框及其帮助文件Fig.3　Check dialogue and help file 参考文献:
[1]蔡临宁,杨秉俭,苏俊义.充填过程数值模拟技术的现状
及发展[J].铸造技术,1996,(3):31～34.
[2]张光跃,熊守美,柳百成,等.铸件充型过程数值模拟的实
验验证及工程应用[J].铸造,2000,(10):775～779.
(编辑　张　琼)
05四川大学学报(工程科学版)第33卷。