基于有限元软件ANSYS对铸件凝固成型过程中的温度场进行数值模拟的设计
摘 要
本设计主要讲述了在铸造凝固成型过程中利用有限元软件ANSYS对铸件的温度场进行数值模拟，得到了铸件凝固时温度随时间的分布关系。在进行设计时，选取ZG25作为材料，虽然它的实际流动性较差，容易氧化，但是它具有良好的铸造性能，容易掌握它的冶炼，能获得良好的铸件，因此选取该种材料。
在设计时，对所用软件ANSYS作了介绍 ，并对数值模拟进行了了解，根据所选用的材料、材料参数和模型，进行了计算模拟，可以进行热裂缺陷的预测，还可以为铸件的变形、裂纹和铸件的开裂倾向等其他缺陷的预测提供重要的有力依据。
在铸造凝固成型过程采用合适的温度能够提高铸件的合格率和寿命，并对铸件选用更加合理的浇注温度，以此可以达到为实际生产服务、使铸造工艺优化的目的。
关键词：铸件凝固成型；温度场；有限元软件ANSYS；数值模拟
1 绪论
数值模拟，又称为计算机模拟，在现代铸造行业中起着重要的影响作用。在现代化的今天随着科学技术的发展，利用有限元软件ANSYS对铸件的温度场进行数值模拟越来越受到了极大的重视，它广泛运用于机械、航空航天、海洋工程及各种金属结构等众多的领域。
1.1本课题研究的主要内容
本设计利用有限元软件ANSYS对铸件凝固成型过程中的温度场进行数值模拟。ANSYS是大型有限元软件，也作为最为通用有效的软件之一。它拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，以及强大的前后处理功能，保证了它能够高效的求解各类问题，比如温度场、热应力场。与温度场有关的宏观缺陷有热裂，而借助于温度场数值模拟技术，可以帮助工程技术人员对这些缺陷的预测，优化工艺设计，确保铸件的质量，为实际生产更好的提供帮助。
1.2有限元软件ANSYS
1.2.1ANSYS的简介
有限元软件ANSYS，它在生活的应用较为常见，是一种商业套装工程分析软件，它的应用十分广泛。所谓的工程分析软件，其主要是机械结构部件系统在受到外力负载荷时所做出的各种反应，例如应力、导热系数、位移、弹性模量、温度、比热、密度等，从而根据这些所做出的反应，我们可以知道机械结构部件系统在受到外力负载荷后的状态，进而判断所做出的约束条件是否符合设计要求[1]。一般情况下，机械结构部件系统的几何结构是十分复杂的，它受到的负载荷也非常多，对机械结构系统进行理论分析往往无法进行。因此想要很好的解决这些情况，就必须先简化部件结构，并采用有限元分析的数值模拟方法来进行分析。由于现代计算机行业的迅猛发展，相应的各种各样的软件也伴随而出。有限元软件ANSYS的运用是十分广泛的，尤其在工程上的应用是相当广泛的，例如：在电机、机械、电子、土木及航空等领域对ANSYS软件的使用[2]，均能达到某一种程度上的可信度，颇获社会各界好评。使用有限元软件ANSYS，不仅能够使设计成本降低，还能够让设计时间缩短，因此可以提高经济效益。
ANSYS公司，它是由美国著名的力学专家、美国匹兹堡大学的力学系教授约翰•斯旺森博士于1970年创建并发展起来的，该公司的总部设在了美国宾西法尼亚州的匹兹堡，它是目前世界上铸造凝固成型模拟分析行业中最大的公司。在30多年的发展过程中，ANSYS软件不断改进提高，功能也不断增强，目前已发展到16.0版本。
1.2.2ANSYS的功能
ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS软件的用户非常广泛，它涵盖了机械、航空航天、能源、土木建筑、水利、电子、生物、医学和教学科研等众多领域[3]。
有限元软件ANSYS的用途十分广泛，当然它的功能也很多，其中之一就是可以提供能够不断改进的功能清单，其功能清单也有着不用的类别，具体包括有：①对流体力学分析的计算；②对电磁的分析；③对结构高度的非线性分析；④接触分析；⑤优化设计；⑥对自适应网格的划分；⑦利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。
1.3国内外的研究状况
1.3.1国内铸造温度场数值模拟研究状况
铸造行业自古就是我国制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着促进作用；同时，铸造本身不容易保证产品的质量和废品率较高，是制造业中最难控制、最容易得到废品的行业，但是它却是整个制造业中不能割舍的一部分。
我国在这一模拟运用领域的研究还是较为落后的并且起步较晚，但是由于我国各大高校、工厂、研究所的积极参与和积极的研究，国家又很重视并且重点扶持，而且它们组织联合起来一起攻克难关，同时又不同程度的吸收和借鉴国外先进的研究成果和经验教训，其在我国的进展较快。
进入80年代后，我国的模拟技术有了更快的发展。西安交通大学的杨秉俭教授等人研究和开发了对铸造生产尽可能通用的三维凝固模拟系统SOL3D，该系统可以对三维温度场完成计算，并具有一定的工程计算精度[4]。大连理工大学的金俊泽、郑贤淑开发了有限差分、有限元软件，他们利用自己开发的软件对许多工程问题进行了模拟。沈阳铸造研究所结合企业和工程实际进行了大量的模拟工作，并开发了铸件凝固过程三维数值模拟软件SRIFCAST。1993年，在实用化技术研究方面清华大学研究小组有着极大的进展，推出了FT-Star4.0软件，该软件具有全新管理界面，1996年又推出了运行于Windows3.X/95环境下的新版FT-Star4软件，1999年又开发了铸件凝固过程数值模拟软件Ft-flow，其可以在Windows98/NT环境下运行[5]。目前由华中科技大学的陈立亮、刘瑞祥教授牵头研制国内著名的铸造凝固模拟软件-华铸凝固模拟分析软件，已经在100多个工矿企业和大专院校推广使用，并已销往马来西亚和新加坡，成为第一个走出国门的凝固模拟软件。
总之，我国在这方面取得了许多研究成果，已经大大地缩短了在这一领域我国与世界水平的差距。
目 录
1 绪论 1
1.1本课题研究的主要内容 1
1.2有限元软件ANSYS 1
1.2.1ANSYS的简介 1
1.2.2ANSYS的功能 2
1.3国内外的研究状况 2
1.3.1国内铸造温度场数值模拟研究状况 2
1.3.2国外铸造温度场数值模拟研究状况 3
1.4设计的目的和意义 4
1.5设计方法 5
1.6本章小结 5
2 铸件温度场的数值模拟 6
2.1模拟方案的确定 6
2.2温度场求解时对初始温度的处理 6
2.3模型、材料及所用物理参数 7
2.3.1模型图 7
2.3.2材料 7
2.3.3所用材料的物理力学参数 8
2.4铸件温度场的数值模拟过程 9
2.4.1用UG将模型图导入ANSYS 9
2.4.2建立工作文件和工作标题 9
2.4.3定义材料的单元类型 9
2.4.4定义材料的物理性能参数 10
2.4.5创建几何模型、划分网格 12
2.4.6加载求解 12
3 数值模拟结果与讨论 15
3.1模拟结果 15
3.2模拟结果分析 19
3.3本章小结 20
4 结论 21
参考文献 22
致 谢 23
参考文献
[1] 夏衍.压电式测力传感器设计[硕士学位论文].山东：济南大学，2007
[2] 林庆合.铸件凝固过程数值模拟及工艺优化[硕士学位论文] .山东：中国石油大学（华东），2003
[3] 张涛.ANSYS AP参数化有限元分析技术及其应用实例：ANSYS高级仿真技术系列.北京：中国水利水电出版社，2013
[4] 赵永美.铝合金气缸盖凝固过程温度-应力场有限元分析及优化[硕士学位论文].江苏：东南大学，2006
[5] 齐慧.铸件流场与温度场耦合计算的数值模拟研究[硕士学位论文] .四川：四川大学，2002
[6] 邓凡平.ANSYS有限元分析自学手册.北京：人民邮电出版社出版发行，2005
[7] 任彦婷.Nb-Al合金基陶瓷复合材料成型过程的数值模拟[硕士学位论文].宁夏：宁夏大学，2010。
[8] 张涯飞.铝合金轮毂低压铸造凝固过程温度场数值模拟及模具工艺优化[硕士学位论文].江西：江西大学，2009
[9] R A Smith, P S A.Wikins. Low pressure sand casting current experience with a new process[DB/CD]. AFS Transaction, 1986:785-792
[10] 徐慧.福特3S4G发动机缸盖低压铸造模拟分析及模具热平衡研究[硕士学位论文].重庆：重庆大学，2009
[11] 刘广君.L形镁合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟.宁夏：北方民族大学，宁夏银川750021，2006
www.bylw520.net www.bylw520.net/html/4458.html www.bylw520.net/html/4457.html www.bylw520.net/html/4456.html
www.bysj360.com www.bysj360.com/html/4422.html
