铸造模型的温度场有限元分析
大型铸造模具的有限元分析和设计
大型铸造模具的有限元分析和设计随着工业化的发展，铸造业成为各国经济的重要组成部分之一。
铸造业需要大量的铸造模具来生产各种各样的铸造件，而大型铸造模具的设计和分析是整个生产过程中至关重要的一步。
有限元分析技术是目前模具设计中常用的一种工具，可以在模具设计和制造的过程中提高设计和生产效率，减少质量问题及不必要的时间和成本。
因此，学习和掌握大型铸造模具的有限元分析技术是非常必要的。
1.大型铸造模具的设计大型铸造模具的设计是通过工艺要求、工作环境、待铸件形状等要素来进行的。
需要考虑到模具的寿命、结构强度和铸造件的质量，还要确保模具制造的各个环节符合安全生产的要求。
在设计铸造模具时，需要有一定的知识储备、经验和技术支持，才能够设计出高质量、高效率和安全稳定的铸造模具。
设计过程中，需要考虑到各个因素可能发生的影响，并进行评估，以确保安全可靠。
设计者需要结合实际情况进行改进，以便更好地适应不断发展的市场要求。
2.有限元分析技术在大型铸造模具设计中的作用有限元分析技术是一种常用的计算方法，可以在设计模具的过程中提高设计效率，减少生产成本和人力物力资源的浪费。
有限元分析技术可以在设计前进行模拟，减少因现场测试和分析导致的成本增加和时间延误。
设计者可以通过有限元分析预测模具制造过程中的各种状态，以更好地掌控模具施工的整个流程。
在铸造模具的有限元分析中，通过模拟分析来模仿模具在生产中的应力状态，以确定模具的强度是否满足生产要求。
有限元分析技术可以通过分析不同材料、结构和工艺条件来确定模具的最佳设计方案，避免了在一些不必要的试验中产生的浪费。
有限元分析技术可以通过较小的成本实现大量的模拟试验，提高了产品设计的效率和可靠性，找到满足生产需求的最优方案，并发现可能存在的制造缺陷和问题，提高模具的制造质量和生产效率。
3.大型铸造模具有限元分析技术的应用在大型铸造模具的有限元分析和设计中，一些重要的应用有以下几个方面：(1) 铸造模具的应力分析：在模具设计过程中，需要考虑到模具在铸造中的应力状态。
Ir坩埚铸造过程中温度场的有限元模拟
ＣＨＥＮ ｏ ｇ ＧＵＡＮ ｅｍｉ ｇ ＫＯＮＧ ｉｎ ｎ ＺＨＡＮＧ ｎ ｕ ， Ｓｎ ， Ｗ ｉ ｎ， Ｊａ ｗｅ ， Ｋｕ ｈ ａ ＤＥＮＧ ｇ ｏ Ｄｅ ｕ
（ ｉｏ Ｐａｉｕ Ｍ ｅａｓ ． ｄ ， ｎ ｎ ， ｎ ａ ５ ２ ， ｉａ） Ｓ ｎ — ｌｔ ｍ ｔｌ Ｌｔ．Ｋｕ ｍｉｇ Ｙｕ ｎ ｎ６ ０ ２１ Ｃｈｎ ｎ Ｃｏ
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晶 Ｉ则 由于弹性 模 量很 大 ，硬 化率 高 ，且 杂 质对 Ｉ ｒ ｒ 的加 工硬化 性 能影 响较 大 ，导致 加 工较 困难 。熔模 铸 造 法工 序较 简单 、制 造 成本较 低 ，并 且铸 造 出的 Ｉ坩 埚 密度 大于前 面 ２种 方法 。但 由于 Ｉ坩 埚为 大 ｒ ｒ
ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｅｄ ｏ ｈ ｅ ａ ｐｅ ． ｅ ｃ ｃ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｎ ｉａｅ ｔ ａ ｅｍ ｅ ｏ ｏ ｎｙ ｐ ｅ ｃｓ ｐ ｒｅ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｆｔｒ ｅ ｓ ｍ ｌｓ Ｔｈ ａ ｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔｔ ｔ ｄ ｎ ｔｏ ｌ ｒ ｄ ｔ ｆ ｃ ｙ ｉ ｌ ｈ ｈ ｈ ｉ ｅ ｌ ｈ ａｉ ｆｓ ｒｎ ｇ ｏ ｅｉ ｔ ｌ ， ｕ ｏ ｐ ｅ ｃｓｔ ｔｅ ｌｃ ｔ ｎ ｏ ｈ ｉｋａ ｅｈ ｌ ｅｗａｌ ｂ ｔａｓ ｒ ｉｔ ｅｌ ａ ｏ ｎ ｈ ｐ ｆｓ ｒｎ ｇ ｏ ｅｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏ ｏ ｎｈ ｌ ｄ ｈ ｏ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ａ ｏ ｈ ｉｋａ ｅｈ ｌ ｎｔ ｐ ｕ ｃ ｉ ｅ ｈ
有限元分析案例
有限元分析案例图1 钢铸件及其砂模的横截面尺寸砂模的热物理性能如下表所示:铸钢的热物理性能如下表所示:一、初始条件:铸钢的温度为2875o F，砂模的温度为80o F；砂模外边界的对流边界条件：对流系数0.014Btu/hr.in2.o F，空气温度80o F；求3个小时后铸钢及砂模的温度分布。
二、菜单操作:1.Utility Menu>File>Change Title, 输入Casting Solidification;2.定义单元类型:Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, Add, Quad 4node 55；3.定义砂模热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>Isotropic,默认材料编号1, 在Density(DENS)框中输入0.054,在Thermal conductivity (KXX)框中输入0.025,在S pecific heat(C)框中输入0.28;4.定义铸钢热性能温度表:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent->Temp Table,输入T1=0,T2=2643, T3=2750, T4=2875;5.定义铸钢热性能:Main Menu>Preprocessor>Material Props>-Temp Dependent ->Prop Table, 选择Th Conductivity,选择KXX, 输入材料编号2,输入C1=1.44, C2=1.54, C3=1.22, C4=1.22,选择Apply,选择Enthalpy,输入C1=0, C2=128.1, C3=163.8, C4=174.2;6.创建关键点:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>Keypoints>In ActiveCS,输入关键点编号1,输入坐标0,0,0, 输入关键点编号2,输入坐标22,0,0, 输入关键点编号3,输入坐标10,12,0,输入关键点编号4, 输入坐标0,12,0;7.创建几何模型:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas-> Arbitrary>Through KPs,顺序选取关键点1,2,3,4;8.Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Create>-Areas->Rectangle>By Dimension,输入X1=4,X2=22,Y1=4,Y2=8;9.进行布尔操作:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Operate>-Booleans-> Overlap>Area,Pick all；10.删除多余面:Main Menu>Preprocessor>-Modeling->Delete>Area and Below,311.保存数据库:在Ansys Toolbar中选取SA VE_DB;12.定义单元大小:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Size Cntrls>-Global->Size,在Element edge length框中输入1;13.对砂模划分网格:Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,选择砂模;14.对铸钢划分网格:Main Menu>Preprocessor>-Attributes->Define>Default Attribs, 在Material number菜单中选择2;15.Main Menu>Preprocessor>-Meshing->Mesh>-Areas->Free,选择铸钢;16.定义分析类型:Main Menu>Solution>-Analysis Type->New Analysis,选择Transient;17.选择铸钢上的节点:Utility Menu>Select>Entities,选择element,mat,输入2,选择Apply,选择node, attached to element,选择OK;18.定义铸钢的初始温度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define,选择Pick all,选择temp,输入2875, OK;19.选择砂模上的节点:Utility Menu>Select>Entities,Nodes, inverse20.定义砂模的初始温度:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>Initial Condit’n>Define,选择Pick all,选择temp, 输入80, OK;21.Utility Menu>Select>Everything；22.U tility Menu>Plot>Lines；23.定义对流边界条件:Main Menu>Solution>-Loads->Apply>-Thermal ->Converction>On Lines,选择砂模的三个边界1,3,4, 在file coefficent框中输入80, 在Bulk temperature框中输入, 80;24.设定瞬态分析时间选项:Main Menu>Solution>Load Step Opts>Time/Frequenc>Time-Time Step,Time at end of load step 3 Time Step size0.01 Stepped or ramped b.c. Stepped Automatic time stepping onMinimun time Step size 0.001 Maximum time step size 0.2525.设置输出:Main Menu>Solution>Load Step Opts>Output Ctrls>DB/Results File, 在File write frequency框中选择Every substep;26.求解:Main Menu>Solution>-Solve->Current LS；27.进入后处理: Main Menu>Timehist Postproc；28.定义铸钢中心节点的温度变量:Main Menu>Timehist Postproc>Define Variables, Add, Nodal DOF result,2,204；29.绘制节点温度随时间变化曲线：Main Menu>Timehist Postproc>Graph Variable,2。
铸造模型的温度场有限元分析
铸造模型的温度场有限元分析概述铸造是一种工程制造方法，将液态金属或其他物质浇铸到一个模具中，让其冷却并形成所需形状。
在铸造过程中，温度场是非常重要的因素。
温度场决定了物体的热胀冷缩、形变、质量等方面，因此对温度场进行分析和优化是铸造中非常关键的步骤。
有限元分析是一种数值分析方法，广泛应用于工程领域中的物理模拟和优化。
它通过将复杂的物理系统划分成离散的小单元，然后进行数值计算，求解问题的数值解。
因为铸造模型具有复杂的结构和几何形状，因此需要使用有限元分析方法对其温度场进行建模和分析。
建模铸造模型的温度场建模通常采用有限元法。
首先需要将模型划分为许多小单元，然后对每个小单元进行分析。
对于铸造模型，一般采用三维有限元建模。
建模首先需要构建模型几何结构，通常可以使用CAD软件进行建模，并将建模结果导入有限元分析软件中。
此外，还需要确定材料属性如热传导系数、比热容等物理参数。
这些参数可以通过实验或者文献数据获得。
模型建立后，需要进行网格划分。
网格划分是将模型划分为许多小单元的过程。
划分应该既能保证精度，又不能花费过多的计算资源。
常用的有限元网格包括四面体网格和六面体网格。
求解一旦建立了有限元模型并完成了网格划分，就可以求解铸造模型的温度场了。
求解需要根据材料性质、边界条件和初值条件设置方程组。
为此，通常会考虑以下因素：•材料参数：包括材料的比热容、密度、热传导系数等。
•边界条件：包括模型的外表面或锥度面进行空气自流冷却，穴道内部注射的铸造材料温度，模型的初值等。
•时间步长：需要选用适当的时间步长来求解模型。
通过建立方程组，使用求解器对其进行求解。
有限元分析通常可以获得模型的温度分布、热流量、热应力等结果。
结果分析求解完成后，可以对求解结果进行分析和优化。
通常采用后处理软件进行结果可视化，比如ParaView、Tecplot等软件。
常用的分析方式包括对温度场进行动态展示、温度场的等高线图、热流分布图等。
这些可视化结果可以帮助研究人员更好地了解模型温度分布的规律，并进行优化改进。
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
刘广君
【期刊名称】《铸造技术》
【年(卷),期】2011(32)1
【摘要】以矩形ZL201铝合金铸件压力铸造为例,对凝固过程进行了合理的假设和简化,利用有限元方法,对铸造凝固过程温度场宏观变化进行了模拟计算,获得了铸型与铸件在凝固过程中的温度分布规律。
在凝固过程中,铸件温度一直呈下降趋势,铸型温度的变化趋势是先升高后降低。
计算结果表明,三维温度场的数值模拟能够反映铸件冷却过程温度场的动态变化,为提高铸件质量、确定凝固时间和优化工艺参数提供了参考。
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】凝固;温度场;铝合金;数值模拟;有限元法
【作者】刘广君
【作者单位】北方民族大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG244
【相关文献】
1.铸件凝固过程中温度场的数值模拟 [J], 赵鑫;温泽峰;金学松
2.铝合金压铸件凝固过程中的瞬态温度场分析 [J], 传海军;黄晓锋;毛祖莉;曹喜娟
3.基于ANSYS的铝合金铸件凝固过程温度场的数值模拟 [J], 牛晓武
4.铝合金铸件凝固过程的有限元数值模拟研究 [J], 尤江;王承志;安晓卫;孟宪嘉
5.基于ANSYS的铸件凝固过程瞬态温度场的有限元数值模拟 [J], 王振军
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铸件凝固过程温度场分析计算
毕业设计铸件凝固过程温度场分析计算姓名： XX学号： XX班级： 10自动化（数控）2专业：自动化（数控）所在系：自动化工程系指导教师： XXX铸件凝固过程温度场分析计算摘要铸造是国民经济的重要产业部门之一，一个国家制造工业的规模和水平就靠它来反映。
航空、航天、汽车、机械等各行业的迅速发展，对铸件的需求量越来大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求也越来越高。
先进制造技术的发展要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。
铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因,缩孔缩松不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能，甚至直接导致铸件报废。
对铸造过程温度场进行数值模拟，可以预测铸件的缩孔缩松，为优化铸造工艺、减少应力、应变导致的铸件缺陷，提高铸件尺寸精度和使用寿命提供科学的参考依据[1]。
此毕业设计就是通过计算机模拟铸件的形成过程，并对其进行相应的温度场分析，根据判据找到缺陷发生的位置，旨在为实际生产提供理论基础，为改进工艺设计作贡献。
关键词：ANSYS；有限元分析；温度场；铸件凝固Casting Solidification Temperature Field Analysis andCalculationABSTRACTCasting is one of the important sectors of national economy, manufacturing industrial scale and level of a country depends on it to reflect. Aviation, aerospace, automotive, machinery and other industries, the rapid development of the to the greater demand for the castings, casting the metal on the performance and reliability requirements of the casting itself more and more is also high. The development of advanced manufacturing technology for casting production to light-duty composite, high-precision, strong, and no environmental pollution.Casting temperature field is castings produced in the process of production, processing and use the main cause of porosity shrinkage, porosity shrinkage not only reduce the size of the casting precision and operational performance, even as a direct result of the casting scrap. A numerical simulation of the temperature field of casting process can predict the shrinkage of the shrinkage, in order to optimize the casting process, reduce the stress and strain caused by the casting defects, improve the casting dimension accuracy and provide scientific reference for service life. The formation of this graduation design is through the computer simulation of casting process, and carries on the corresponding temperature field analysis, according to the criterion of finding defects location and aims to provide theoretical basis for actual production, make contributions to improve process design.Key Words：ANSYS；The finite element analysis；Temperature field；Casting solidification目录第一章绪论 (1)1.1本课题的背景和意义 (1)1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义 (1)1.1.2国内外发展状况 (1)1.1.3本课题的研究内容 (1)1.2本课题研究的方法和手段 (1)第二章理论及软件 (3)2.1本论文的理论基础 (3)2.1.1热传递的基本方式 (3)2.1.2导热过程的基本概念 (5)2.1.4ANSYS简介 (9)2.1.5软件功能介绍 (9)第三章软件模拟 (11)3.1建模和ANSYS前处理 (11)3.1.1PRO/E建立铸件模型 (11)3.1.2铸件砂型的建立 (12)3.1.3铸件在ANSYS的前处理过程 (15)3.2温度场求解过程 (22)3.2.1定义对流条件 (22)3.2.2求解设置 (25)3.3基于温度场的分析 (26)3.3.1温度场模拟结果 (26)结论 (31)参考文献 (32)致谢 (33)第一章绪论1.1 本课题的背景和意义1.1.1铸件凝固过程温度场分析计算的意义铸造温度场是铸件在生产、加工及使用过程中产生缩孔缩松的主要原因；铸造应力是铸件在生产、加工及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因,缩孔缩松和裂纹不仅降低铸件的尺寸精度和使用性能，甚至直接导致铸件报废。
第三讲 温度场的有限元分析
2
...
二维单元
Ni ( x)ui
1
n
注：Ni可为Lagrange、 Hamiton多项式或形函 数，在+1~-1间变化
u ( x, y ) N i ui
1
n
v( x, y ) N i vi
1
n
第三讲 温度场的有限元分析
参考： 《有限单元法在传热学中的应用》，孔祥谦 编著， 北京：科学出版社，第三版，1998.9 （TK124/7）
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
温度场基本方程推导
• 整理得：
c T T T T (k x ) (k y ) (k z ) Q 0 t x x y y z z
• 满足上述热传导方程的解有无限多个，为了确定真 实的温度场，必须知道物体初始瞬态的温度分布， 即初始条件，称为第一类边界条件 T ( x, y, z, t )t 0 T ( x, y, z ) • 同时，还需知道物体表面与周围介质间进行热交换 的规律，即边界条件，有三类边界条件。
边界面上的热流密度q[w/m2]为已知
2T 2T 2 0 2 x y
T k n
q 0
1
平面稳态温度场的有限元法
• 2、平面稳态温度场的泛函 第三类边界条件平面稳态温度场
Ansys有限元分析温度场模拟指导书
实验名称：温度场有限元分析一、实验目的1. 掌握Ansys分析温度场方法2. 掌握温度场几何模型二、问题描述井式炉炉壁材料由三层组成，最外一层为膨胀珍珠岩，中间为硅藻土砖构成，最里层为轻质耐火黏土砖，井式炉可简化为圆筒，筒内为高温炉气，筒外为室温空气，求内外壁温度及温度分布。
井式炉炉壁体材料的各项参数见表1。
表1 井式炉炉壁材料的各项参数三、分析过程1. 启动ANSYS，定义标题。
单击Utility Menu→File→Change Title菜单，定义分析标题为“Steady-state thermal analysis of submarine”2.定义单位制。
在命令流窗口中输入“/UNITS, SI”，并按Enter 键3. 定义二维热单元。
单击Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit/Delete 菜单，选择Quad 4node 55定义二维热单元PLANE554.定义材料参数。
单击Main Menu→Preprocessor→Material Props→Material Models菜单5. 在右侧列表框中依次单击Thermal→Conductivity→Isotropic，在KXX文本框中输入膨胀珍珠岩的导热系数0.04，单击OK。
6. 重复步骤4和5分别定义硅藻土砖和轻质耐火黏土砖的导热系数为0.159和0.08，点击Material新建Material Model菜单。
7.建立模型。
单击Main Menu→Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Circle→By Dimensions菜单。
在RAD1文本框中输入0.86，在RAD2文本框中输入0.86-0.065，在THERA1文本框中输入-3，在THERA2文本框中输入3，单击APPL Y按钮。
8.重复第7步，输入RAD1=0.86-0.065，RAD2=0.86-0.245，单击APPL Y；输入RAD1=0.86-0.245，RAD2=0.86-0.36，单击OK。
金属型铸造温度场的有限元数值模拟及确定热物理参数的_逆方法_
金属型铸造温度场的有限元数值模拟及确定热物理参数的“逆方法”Ξ陈玲1,王鹏林1,张敬宇1,郭长海2(1.天津理工学院机械工程学院,天津 300191;2.天津理工学院材料工程学院,天津 300191)摘要:采用虚拟仿真技术,利用ANSYS软件,对铸造系统凝固过程的温度场进行研究。
考虑了相变潜热、对流边界条件和界面传热系数等各种因素,并将ANSYS计算结果与实验数据进行对比,得到了合理的温度分布,为进一步研究消除铸造缺陷等工程实际问题打下了基础。
同时提供一种确定热物理参数的“逆方法”。
关键词:铸造过程;虚拟仿真;ANSYS中图分类号:TB115 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2003)12-0029-03 传统的铸造行业有悠久的历史,并且直到现在仍然是整个机械工业的基础。
但它也面临着很多问题:如产品质量不易保证、生产效率低、能源和材料消耗、绿色环保等。
这其中的原因之一:铸造过程复杂;之二:缺乏理论指导。
鉴于以上原因,目前的铸造工艺设计大多凭设计者的经验和直觉,这样在实际生产中必然会出现大量的反复和调整,增加了废品,提高了成本。
近年来,计算机辅助工程分析(CAE)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。
但是,虽然有了模拟软件,要用它把一个真实铸件的有关物理场变量比较准确地模拟出来,还有一系列的研究工作要做:(1)应用软件分析铸造温度场时,需要给出定解条件,但是,由于铸造过程物理场现象的复杂性、边界传热系数、铸件与铸型间界面传热条件等,这些定解条件并非完全确定,还需进行一些试探去积累确定它们的经验,有时还需要从易得的实验数据去帮助确定。
(2)由于铸造过程物理场包含着强非线性因素,还需通过模拟的实践保证非线性解的收敛和稳定。
直接测量边界对流传热系数和界面传热系数很难实现,而要测取铸造系统中一些点的温度历程,相比之下容易得多。
运用Deform有限元分析优化锻造模具设计
软件介绍D eform 是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关工艺的各种成形和热处理工艺。
通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员设计工具和产品工艺过程，减少昂贵的现场实验成本。
提高模具的设计效率，降低生产的材料成本，缩短产品的研究开发周期。
案例分析以下就通过一个案例阐述在实际设计中如何运用D eform 有限元分析来优化锻造工艺及其锻造模具的设计。
图1产品是水龙头的一个重要零件，材质为铅黄铜（C uZn40Pb2），产品重量419克。
锻造工艺有两种方案：①开式模锻，如图2，②闭式挤压，如图3。
运用Deform 有限元分析优化锻造模具设计刘名水图1水龙头重要零件图2开式模锻图3闭式挤压!!!!!!!!!!!对两种方案分别运用DEFROM 进行模拟分析。
DEFROM 软件操作过程：因DEFROM -3D 本身建立几何模型功能较差，难以建立复杂几何模型，且模具设计是用P roe设计，所以就用P roe 建立几何模型。
上模，下模，以及锻造原材料（铜棒）。
用P roe 建好几何模型后，把上模，下模，原材料分别导成.stl 文件。
打开DEFROM -3D 中的DEFROM -F3模块，建立模拟文件，首先进行前处理。
导入之前建立的几何模型（.stl 文件），为了简化计算，不考虑热量在原材料与模具之间的传递，原材料进行网格划分，设定锻造参数：锻造温度700℃，模具温度150℃，摩擦系数0.3，上模移动速度400mm/sec ，上模移动距离等，原材料选择DE -FROM-3D 软件自带材料库里的DI N -CuZn40Pb2。
其中最重要的是注意原材料的网格划分，网格划分越粗，即网格数量越少，模拟计算就越不准确。
相反，网格划分越细，即网格数量越多，模拟计算就越准确，但计算量就越大。
需根据计算机硬件条件及分析需求，合理划分网格数。
前处理设定好，检测数据OK 后，生成待模拟计算数据。
然后进行模拟计算。
CAE-在铸造系统温度场和应力场数值模拟中对ANSYS的理论验证
瞬态温度场分析结果
•左图为 t＝1.9s（第10步）时刻的温度云图。 •右图为 t＝（第60步）时刻的温度云图。
温度云图
瞬态应力场分析结果
•由数值模拟的分析结果可以看出：初始时铸件温度高，铸型温度低，由于热传导的作用，铸件因温度降低 而收缩，铸型因温度升高而膨胀。 • 系统产生热应力的原因有二个：1.由于铸件左边壁面收缩时受到铸型的阻碍，在环向产生拉应力；2.铸件 热传导使其内部温度分布不均匀，中心温度高，靠壁面温度低，由于收缩程度不同，在铸件外层环向产生 拉应力，内层环向产生压应力。应力云图与理论分析完全吻合。
• 图示系统，由于铸件与铸型的材料不同， 二者之间的界面需采用接触单元分析。
• 在模拟分析中发现，无论采用直接法还是 间接法求解，当界面之间出现裂缝时，接 触单元失效，程序无法继续进行。
• 因此需要探索在这种情况下如何正确使用 ANSYS来求解问题，对其进行理论验证。
本文对ANSYS软件进行理论验证的方法是：
1.考虑较为简单的工况，其结果具有解析解，然后将ANSYS的分析结果 与解析解进行比较；
2.其次考虑稍微复杂一些的工程算例，对其结果可以进行直观判断和定性 分析。
验证的目的在于考察系统物理性质的非线性、接触单元模拟的正确性以 及热－应力耦合场的分析功能。
二、简单算例的理论验证
• 假设有一实心圆柱体A1，外面依次套上两个环形圆柱体A2和A3，该模型可视为厚壁筒， 这是一个二维轴对称问题，根据弹性力学的计算公式可以求出其解析解。
• 采用ANSYS对其进行求解，A1、A3视为铸型，材料为45钢，初始温度30，A2为铸件， 材料为铝合金，初始温度650 。各圆柱体之间的界面采用接触单元。
• 下图为几何模型和有限元模型。
基于ANSYS的大型铸件温度场有限元模拟
基于ANSYS的大型铸件温度场有限元模拟
崔浩; 王智民
【期刊名称】《《CAD/CAM与制造业信息化》》
【年(卷),期】2006(000)012
【摘要】本文以某大型外贸件——导风叶轮铸件为例,采用大型有限元仿真软件ANSYS作为铸造过程计算机模拟仿真工具,正确设置边界条件、合理设计数学模型、设置运行参数、对铸件成型凝固过程进行模拟。
并根据模拟结果对铸件所产生的缺陷部位进行预测,为后续的工艺优化提供参考依据,从而达到缩短试制周期,降低成本的目的。
【总页数】4页(P50-53)
【作者】崔浩; 王智民
【作者单位】西安理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG302
【相关文献】
1.基于ANSYS的铝合金铸件凝固过程温度场的数值模拟 [J], 牛晓武
2.基于ANSYS的铸件凝固过程瞬态温度场的有限元数值模拟 [J], 王振军
3.基于ANSYS的大型艉轴机械密封环温度场理论研究 [J], 陈汇龙;彭正东;丁郁华;林清龙;黄建平;陈萍
4.基于ANSYS金属薄板裂纹尖端温度场有限元模拟 [J], 马振宁;王逊;翟中海;汪青杰
5.基于ANSYS的铝合金薄板焊接温度场三维有限元模拟 [J], 陈玉喜;朱锦洪;石红信;丁高剑
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复杂铸件三维温度场有限元分析
文章编号 100426410(2003)0120054205复杂铸件三维温度场有限元分析马兆敏1,沈炜良2,李文娟3(11广西工学院电控系,广西柳州 545006;21广西大学,广西南宁 530004;31山东大学,山东济南 250061)摘 要:对柴油机缸盖铸件三维温度场进行有限元分析,得到从浇注到室温全过程的温度场,计算结果表明三维温度场的数值模拟能反映铸件冷却过程温度场的变化,与实测结果相符合。
并评价了三种落砂温度工艺方案,结果表明落砂时间对铸件残余应力的大小有很大影响。
关 键 词:铸造;凝固过程;有限元;温度场;AN SYS中图分类号:T G 213 文献标识码:A收稿日期:2002207211作者简介:马兆敏(19752),女,山东兖州人,广西工学院电控系助教,工学硕士。
0前言 某厂生产的6105柴油机缸盖在生产、使用过程中出现开裂现象。
缸盖产生裂纹的原因比较复杂,在铸造过程中形成的残余应力是其中原因之一。
本文利用AN SYS 有限元分析计算软件,对缸盖铸件凝固温度分布变化进行计算机仿真,研究开箱温度对铸件残余应力分布规律的影响,为实际铸件的残余应力分析和选择合理的降低残余应力工艺提供基本依据。
并在生产现场对6105型柴油机缸盖铸造凝固过程温度场进行测量,以验证模拟计算的可靠性。
16105柴油机缸盖铸件简介 6105型缸盖为六气缸柴油机缸盖。
铸件为箱型,内部设有进排气道、冷却水腔、润滑油孔道、起动阀、安全阀、压力测量装置等。
铸件最薄部位尺寸为5mm ,最厚部位尺寸为30mm ,属于高强度薄壁复杂铸件。
由于其结构复杂,工厂中生产分两段铸造而成。
材质为H T 250,每段铸件外型尺寸为430mm ×254mm ×104mm ,重量约为40kg 。
机加工后缸盖铸件的实物图如图1所示。
图1缸盖铸件机加工后的实物照片2铸件凝固过程三维温度场有限元分析211连续温度场数学模型 铸件凝固过程基本上可看成一个不稳定导热过程。
CAE-铸造温度场数值模拟
几何模型
几何模型图 4
模型描述
• 模型化过程中的技术难点 – 接触单元在瞬态非线性热应力耦合场中的使用
• 本模型特点：三维结构 • 采用的ANSYS单元：
Solid70和CONTAC49单元 • 材料：铸件(铝合金) 、铸型(45号钢) • 采用的ANSYS功能：前后处理、ANSYS参数语言求解
• 由于时间的关系，对于应力场的研究没有进行。
19
铸造温度场数值模拟
1
问题描述
• 工程背景 铸造系统凝固过程中耦合热应力的数值模拟已经成
为先进铸造工艺设计必不可少的重要部分，而有限元的 模拟结果与真实铸造凝固过程的逼近程度，直接影响模 拟软件的实际使用。利用ANSYS有限元软件,采用不同的 边界条件，更准确的模拟了瞬态非线性温度场，并采用 界面单元，模拟界面传热情况，并进一步进行耦合热应 力全过程的有限元模拟。
2
研究目的
1.应用软件分析铸造温度场和应力应变场时，需要给 出定解条件，但是由于铸造过程物理场现象的复杂性，有 些定解条件并非完全明确，如边界传热的系数、铸型与铸 件间界面传热条件等,需要进行一些试探去积累确定它们 的经验,有时还需要用易得的实验数据去帮助确定。
2.由于铸造过程物理现象的复杂性，使每一种物理量 的分析模拟的数学模型都包含着强非线性因素，怎样控制 解的过程以保证非线性解的收敛和稳定，就需要通过分析 模拟的实践去积累经验。
数值计算模拟结果与实验结果的比较
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修改参数后的曲线与实验曲线比较
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温度场动画
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结果分析
• 结果分析
实践证明，接触界面传热系数的取值严重地影响着 热传导的过程。对不同的接触界面采取不同的界面传热 系数值是必要的。
铸造模型的温度场有限元分析
铸造模型的温度场有限元分析作者：纪承任晓伟来源：《中小企业管理与科技·下旬刊》2011年第06期摘要：本文对铸造模型的温度场进行了简要分析。
关键词：铸造模型温度场铸造过程是一个液态金属充填铸型型腔的过程，本次介绍的是不包括液态金属流过型腔并且冷却的过程，不考虑液体流动过程，仅仅是模拟在金属液体全部充满后冷却的过程，这个过程是包含了许多对铸件质量有重要影响的物理过程和现象。
在长期的生产实践中由于缺乏考察这一过程，并且对整个冷却凝固过程没有确切的数据说明，只能依靠设计者的经验积累和现场试验，因此阻碍了铸造行业的发展。
如果能对铸造过程进行模拟，对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种逐渐缺陷以及提高生产效率都非常重要。
凝固过程温度场数值模拟可以实现以下目的：提供浇注冲型时序图，凝固过程可视化，预测缩孔，缩松等宏观缺陷，为预测铸造应力，微观组织等提供基础数据，分析评价并通过控制凝固条件优化铸造工艺，减少工艺准备失误率，缩短试制周期，降低试制成本。
所以对铸造模型的温度场的模拟是十分有必要且意义重大。
铸造过程的温度场的模拟主要取决于热传导的问题，这个过程主要是液态铸件的冷却凝固过程与铸型的温度不断上升的过程，此过程为热传导，所以对于温度场的模拟主要抓住热传导理论。
对于具体问题要具体对待，对于热传导问题主要考虑对流散热系数的选取，也就是边界条件，其中边界条件分三类：第一类边界条件——温度边界条件，即物体与外界接触周界的温度已知。
这类边界条件称为狄利克莱问题。
第二类边界条件——导热边界条件，即物体边界在法线方向上的比热流量已知。
这类边界条件成为牛曼问题。
第三类边界条件——热交换边界条件，即在边界上已知物体与外部介质的热交换情况。
设边界外周围介质的温度为T0已知，介质与物体之间的热交换系数为α，物体的热传导系数为λ，则在边界上的热交换条件为：此类边界问题又称为劳平问题。
高温零件的受热边界大多属于第三类边界条件。
铝合金大扁锭半连续铸造温度场与应力场的三维有限元仿真分析
Ａ Ｏ／ｘ Ｏ／ｙ ＝ ｌ 一 （Ｔ ＋ Ｔ ）ｈ（ ） Ｏ Ｏ
式 中：一 板坯材料 的导热系数 ｗ （ ｋ ； Ａ ／ｍ・ ） ＾ 结晶器 与饭坯之间的换 热系数 Ｗ （ ２ｋ 。 广 ／ｍ ￣ ）
来稿 日期 ：０ ６ １— １ ２ ０ — ２ ２
Ｔ ｏ （） ３
（） ３ 铝溶体液表面与环境 空气发生对流 、 辐射传热 ：
一
１ 传热控制方程及边界条件
半连续铸造金 属的冷却凝固过程从传热学角度上讲是一个
三维非稳态传热过程 ， 其传热控制方程可以写成 ：
ｄＴ ＝ 舱
Ａ Ｏ／ｘ Ｏ／ｙ ＝ 一 ） （ＴＯ＋ Ｔ ）ｈ（ Ｏ
（） ６
式 中：
坯 密度 ，／ｍ ； ｇ ｃ ｃ 请 坯 比热容 ， （ ・ ； —铸 坯导 Ｊ ｇ ℃）Ａ ／
（） ６ 铝锭与冷却水发生对流换热 ：
一
热系数 ， ／ｍ－ ｗ（ ｏ７ Ｃ；
Ａ Ｏ／ ＋ ＴＯ ）ｈ（ 一 ） （ＴＯ Ｏ／ ＝ ： ｘ ｙ
（） ７
散项 ，／； 温度 ， Ｊｇ卜 ｏ ｒ Ｃ；一时 １ ｓ ９，；
中图分类 号 ： ２ １ ２ 文 献标识 码 ： Ｏ ４． ８ Ａ
在 ＭＳ ． Ｒ ＣＭＡ Ｃ平台上对扁锭 的半连铸过程进行 热力耦合 有限元仿真分析 ，探讨 了通过工艺参数控制与降低温度梯度 和 热应力水平 、 实现无裂纹铸造的工艺途径 。 （） ２ 结晶器人 口处即铝溶体液 面， 为等温边界条件 ： 视
的实体倒数 。
—铸 坯温度对传热 时间
式 中： Ａ ＿ Ａ、『 铝锭和 结晶器材料 的导 热系数 ； ｈ、 ＾、 ｈ 分别为结
3温度场有限元分析理论基础
第3章温度场有限元法分析理论基础在制造加工领域中，通过计算机模拟各种加工过程是非常方便有效的方法之一。
磨削过程也可以通过建立数值分析模型模拟整个磨削的过程，不仅可以预测实验可能发生的情况也可以减少实验的次数。
于是，越来越多的学者使用有限元技术对磨削过程进行分析、研究。
通过有限元法分析磨削区温度场既有利于对磨削机理的理解，也是一种优化机械加工工艺的有力工具，而且在考虑多种因素、非线性、动态过程分析等复杂情况时其优势尤为显著。
3.1有限元法简介3.1.1 有限元法的基本思想有限单元法是目前在工程领域内常用的数值模拟方法之一。
目前在工程领域内常用都是数值模拟方法包括有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法等。
有限元单元法的基本思想就是将连续的结构离散成有限多个单元，并在每一个单元中设定有限数量的节点，讲连续体看做是节点处连续的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量，并在第一单元中假设一个插值函数来表示单元中场函数的分布规律，进而利用弹性力学、固体力学、结构力学等力学中的变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中有限自由度问题。
求解法就可以利用解得的节点值和设定的插值函数来确定单元上以至整个集合上的场函数。
有限元分析的基本概念就是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一个单元假定一个较简单的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的近似解。
由于大多数实际问题难以得到准确解，有限元法不仅仅计算精度高而且能够适应各种复杂形状，因此称为行之有效的工程分析手段。
3.1.2有限元热分析简介热分析是指用热力学参数或者物理参数随着温度变化的关系进行的分析方法。
国际热分析协会在1977年将热分析定义为：“热分析是测量在程序控制温度下，物质的物理性质与温度依赖关系的一类技术。
”程序控制温度指的是按某种规律加热或冷却，通常是线性升温或降温。
铸造过程中的温度场分析与优化技术研究
铸造过程中的温度场分析与优化技术研究铸造是现代工业制造领域最为重要的一项基础工艺技术，其产品包括各种汽车、航空、机床等大型部件，铸件的质量直接关系到产品的品质和制造成本。
而在铸造过程中，造型材料的锅炉、铸模和熔炼过程对于铸件的质量产生着至关重要的影响。
不同于其他工艺技术，铸造的制造过程极具模糊和非线性，其温度场分析对于铸造的制造工艺和质量控制产生了至关重要的影响。
铸造过程中的温度场分析是铸造工艺及其质量控制的重要环节。
在执行铸造工艺时，确定温度场分析是了解金属特性、热导率、热膨胀性、热膨胀和热沉积时必须要做的一部分。
铸造工艺中的熔炼、凝固、冷却过程，通过气体对熔体的压力变化，造型材料的锅炉和铸模的热膨胀、冷却了金属熔体，从而形成了不同的温度场。
然而，不同的工艺条件、材料性质以及人工干预，往往会导致温度场的分布不均，从而影响铸造制品的质量。
温度场分析需要通过各种手段来进行优化，最终是为了实现铸造质量的最大限度的提高。
在铸造过程中，控制温度场是不争的事实。
优化温度场的方式包括进行温度场分析、分析并优化所有影响温度场的因素、改善造型材料、铸模的材料和热态特性等。
通过这些方法的结合，可以有效的控制温度场分布的不均，确保铸件的质量。
在现代工业制造中，稳定可靠的温度场是铸造过程中最为关键的一个环节。
温度场优化需要结合数学、力学、化学和物理等多学科知识，最终实践验证。
越来越多的研究表明，建立模型进行温度场优化对于铸造质量的提高和生产效率的优化都有着至关重要的作用。
我国铸造工业的发展巨大，尤其在煤炭、钢铁、水泥行业中，铸造技术有着广泛的应用。
随着经济的迅速发展和工业技术的不断提高，研究铸造过程中温度场分析与优化技术已成为工业界和学术界关注的热点。
总的来说，铸造过程中的温度场分析与优化技术研究是铸造工业中至关重要的一个环节，需要不断进行研究和实践，以提高铸件质量和生产效率。
只有长期坚持这种工艺优化的思路，优化温度场分布，使之符合工艺要求，才能获得长期的好结果，为我国的工业制造发展做出贡献。
基于PRO E与ANSYS集成实现的压铸模具温度场仿真
基于PROE与ANSYS集成实现的压铸模具温度场仿真newmaker压铸模具是现代制造业的重要工艺装备。
在生产中，其温度场及热应力场为非稳定状态，即随时间变化，各性能参数均发生改变。
生产实践证明，压铸模具设计、制造完成之后，即使发现错误。
也难以进行较大的修改。
所以在模具设计之前就采用数值模拟技术。
预测各部位的温度场和热应力场分布及其变化规律。
对于优化压铸模具结构设计，提高铸件质量，延长模具使用寿命，降低成本，加快产品的升级换代，均具有重要意义。
计算机数值模拟技术的应用，为控制压铸模具温度场及热应力场提供了有效的途径。
压铸模具有限元分析所涉及的实际铸件。
其形状都非常复杂，以致数值模拟的前处理阶段，即实体造型和网格剖分往往花费大量时间．影响了计算的精度和效率。
因此，迅速而准确地进行实体造型及单元剖分。
并使单元剖分与模具和铸件结构形状和数学模型相协调。
对提高模拟分析结果的真实性和实用性有着重要的意义。
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析程序，其分析功能强大。
并能有效的求解温度场、散热场以及多场耦合问题；但其实体建模功能有限，只能处理一些相对简单的模型，难以胜任形状复杂的铸件造型。
Pro/E是美国PTC公司开发的专业CAD 软件，是一个基于特征的实体造型系统。
其主要功能在于能进行便捷的参数化设计。
通过Pro/E可以快速方便的建立形状复杂的模型。
虽然它带有CAE模块，但相比专业的CAE 软件还略有不足。
因此可行的解决方案是结合两者的优势，在Pro/E中建模，获得尽量逼近真实铸件形状的模型。
然后导入ANSYS中进行模拟分析。
这样，就可利用压铸模具的温度场仿真来解决实际的工程问题。
1 ANSYS与Pro/E的集成为将ANSYS直接集成在Pro/E中，使Pro/E生成的模型能完整的导入到ANSYS中。
需将ANSYS与Pro/E的接口进行如下的设置：(1)在同台计算机的同一操作系统下安装有Pro/E和ANSYS两种软件；(2)保证上述两种软件的版本兼容，Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本；(3)ANSYS 10.0必须和Pro/E wildfire2.0相连；(4)操作路径为：开始→程序→ANSYS→ANS ADSNUtility→Configurationoptions→Configuration Connection for Pro/E。