铸件凝固过程温度场分析计算毕业论文.doc

毕业设计毕业设计 铸件凝固过程温度场分析计算 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论 文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和 电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其 它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论 文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300 字左右） 、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图 纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错 别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所 有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工 程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装 订 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价：指导教师评价： 一、撰写（设计）过程 1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 指导教师：指导教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价：评阅教师评价： 一、论文（设计）质量一、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）水平二、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩：建议成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 （在所选等级前的内画“”） 评阅教师：评阅教师： （签名） 单位：单位： （盖章） 年年 月月 日日 教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）及教学系意见 教研室（或答辩小组）评价：教研室（或答辩小组）评价： 一、答辩过程一、答辩过程 1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文（设计）质量二、论文（设计）质量 1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格 三、论文（设计）水平三、论文（设计）水平 1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格 3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩：评定成绩： 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 教研室主任（或答辩小组组长）：教研室主任（或答辩小组组长）： （签名） 年年 月月 日日 教学系意见：教学系意见： 系主任：系主任： （签名） 年年 月月 日日 铸件凝固过程温度场分析计算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 and Calculation ABSTRACT Casting 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 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 1 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。 统凝固过程温度场、热应力场有限元法正在大力推动铸造业的发展,对于优化工艺设 计、防止缩孔、缩松、偏析,热裂纹等缺陷,降低残余应力,提高铸件质量有重要的作用2。 1.1.2 国内外发展状况 铸件凝固过程温度场分析研究的内容在国外属于成熟，但是在国内发展还不是很好， 对于提高生产率降低生产成本有明显优势。适用于批量生产，使用 ANSYS 进行设计计 算，从而大大降低生产废品率，提高了生产效益。 1.1.3 本课题的研究内容 铸件凝固过程温度场分析研究的理论依据为有限元分析，它是利用数学近似的方法 对铸造温度场与应力应变场数值模拟，还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可 以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 1.2 本课题研究的方法和手段 首先必须建立铸造分析的零件模型，然后利用 ANSYS 建造砂型，导入零件模型， 通过前处理，求解，后处理，得出温度场与应力应变场的分布云图，分析结果，编写论 文。 本课题已经深入到铸件成形过程的各个方面,成为获得优质铸件的关键技术。通过对 凝固过程进行有限元分析,可以分析出在铸造过程中因温度及应力等的影响而可能造成的 铸造缺陷，从而在铸造的过程中通过处理而避免这些缺陷得发生，进而铸造出合格优质 的铸件。通过对铸件凝固过程温度场分析的研究，掌握结构有限元分析的原理和方法， 学会分析和解决铸造过程有限元分析中的一些关键技术问题，如铸件的三维实体建模， 有限元数据分析模型的建立加载和求解等，对有限元计算结果进行分析，并对铸造过程 数值模拟的基本理论及相关的应用软件即 ANSYS 的应用，加深对铸造过程的理解及对 软件的掌握，为进一步改进铸造工艺打下理论基础3。具体步骤如下：本论文的结构安 排如图 1.1： 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 2 图 1.1 论文结构 Fig.1.1 Thesis structure 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 3 第二章 理论及软件 2.1 本论文的理论基础 2.1.1 热传递的基本方式 热传递有三种基本方式，即热传导(导热)、热对流和热辐射。在这三种基本方式中， 热量传递的物理本质是不同的。 1.热传导 热传导是由于温度不同，在导体内存在温差或温度梯度，引起自由电子移动的结果。 温差越大，自由电子的移动越激烈4。因此，好的导电体也是好的导热体。 热传导理论是研究物体内部有温差存在的各部位随时间温度变化的规律，假设所研 究的物体的组织结构完全致密，热能经过导体的任何断面、任何时间都是相同的，那么， 在一定的温度梯度与一定时间，经过一定面积所传递的热量可用下式计算: AQ L TT )( 12 （2.1） 式中 Q传导热量； (T2-T1)温度差； L温差距离； A传热面积； 传热时间； 热导率。 但任何物体都不是理想致密的，所以要用微分式来表示: ddA dL dT dQ)( （2.2） 故单位面积、单位时间内所传递的热量: dL dT dq （2.3） 2.热对流 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 4 热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象。它是利用不同温 度的质点密度不同来传热，在液体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来补 为 T，放于温度为 To 的流体中，传热面积为 A，经过时间 ，则对流传热为: ATTQ cc0 （2.4） 设计方法分析： 要进行零件的造型设计，首先必须熟练掌握 UG 的建模命令，其次是搞清楚零件的 细部结构组成部分。在零件的设计过程中，强调了设计的整理性。 式中 c对流传热系数。 影响 c 的因素很多，它是一个复杂的函数: , , 0pc CTTf （2.5） 式中 T放热流体(或固体)的温度； T0受热流体(或固体)的温度； v流体流动速度； 流体的导热率； Cp流体的比热容； 流体的密度； 流体的粘度； 放热表面形状系数。 热对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能转移的现象5。它是利用不同 温度的质点密度不同来传热，在液体受热密度变小而上浮的同时，冷的流体就会流过来 补充，这样一个周而复始流动过程，即所谓对流。研究对流传热时，主要以牛顿定律为 依据，即传热流体的温度铸件凝固过程温度场分析研究的理论依据为有限元分析，它是 利用数学近似的方法对铸造温度场与应力应变场数值模拟，还利用简单而又相互作用的 元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 首先必须建立铸造分析的零件模型，然后利用 ANSYS 建造砂型，导入零件模型， 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 5 通过前处理，求解，后处理，得出温度场与应力应变场的分布云图，分析结果，编写论 文。 本课题已经深入到铸件成形过程的各个方面,成为获得优质铸件的关键技术。通过对 凝固过程进行有限元分析,可以分析出在铸造过程中因温度及应力等的影响而可能造成的 铸造缺陷，从而在铸造的过程中通过处理而避免这些缺陷得发生，进而铸造出合格优质 的铸件。通过对铸件凝固过程温度场分析的研究，掌握结构有限元分析的原理和方法， 学会分析和解决铸造过程有限元分析中的一些关键技术问题，如铸件的三维实体建模， 有限元数据分析模型的建立加载和求解等，对有限元计算结果进行分析，并对铸造过程 数值模拟的基本理论及相关的应用软件即 ANSYS 的应用，加深对铸造过程的理解及对 软件的掌握，为进一步改进铸造工艺打下理论基础。 由上述可知，热对流传热要比热传导传热复杂的多。另外，对流传质的介质虽然只 是流体，但传热之间的物体，可以是固、液、气同时存在，这样就增加了研究对流传热 的复杂性，并伴随有传导，以至辐射存在。 3.热辐射 热辐射能是物体受热后，内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。一切物体只 要其温度高于绝对零度，就会从表面放出辐射能。所以，辐射能主要是以热能形式发射 出的一种能量。在放热体和吸热体之间的辐射是彼此往复的，只是两物体以不同的速度 进行辐射，经过一定时间之后，两物体以同等速度辐射时，便可以达到暂时的平衡。 辐射能量 Q0 辐照到物体上后，分为三部分，其中一部分被吸收 QA，一部分被反 射 QR，另一部分 QD 透过该物体，即 (2.6) 0 QQQQ DRA 等式左右各除以 Q0，则得: 1 0 Q QQQ DRA (2.7) 或令式中： A物体的吸收率，A = 0 Q QA R物体的反射率，R = 0 Q QR D物体的穿透率，D = 0 Q QD A，R，D 的数值都是在 01 的范围内变化，它们的大小与物体的温度、表面 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 6 情况、物体的性质、射线的波长等有关。 以上简要介绍了传热的三种基本方式，实际上热传递并非单纯以一种方式进行。对 于铸造过程来讲，铸件在铸型中凝固，其热的传播主要以热传导为主。由于铸件凝固过 程的研究主要是考虑铸件中温度分布和随时间变化的规律性，因此本实验模拟主要考虑 的是热传导和对流，不考虑其热辐射的影响。 2.1.2 导热过程的基本概念 1.温度场判断 当物体或系统的各个部位温度不同时，热量就会从高温的物体(或物体内的高温部 位)传递到低温的物体(或物体内的低温部位)。某种物质温度的高低并非物质所固有的， 因而它是物质的一种状态量。物体内各点温度的分布就构成该物体的温度场。由于温度 是一种标量，它没有方向性，因而物体的温度场也是一种标量场。 物体内部各点温度不同，在直角坐标系中即可表述为在某一时刻，各点温度 T 是空 间坐标 x,y,z 的函数，如果这个温度场不随时间而变，则又可称为稳态温度场，其数学 表达式为 (2.8),(zyxfT 反之，如果温度场随时间而变，即各点温度不仅是空间坐标的函数，而且还是时间 的函数，则称为非稳态温度场，其数学表达式为 (2.9),(tzyxfT 此外，若某一瞬间的温度场是由三个坐标 X，Y，Z 所决定为，则称之为三维温度 场，若温度场仅与二个或一个坐标有关，则称之为二维或一维温度场。 根据温度与时间和空间坐标的不同关系，可构成多种不同类型的温度场 均匀物体内部的温度场一般都是连续的。所谓温度场连续的意义是指当场内相邻二 点的距离趋近于零时，其温度差亦趋近于零。但是，当一个系统由不同材料的二部分组 成，如铸件与铸型，或者物体内部有缝隙，如铸件内部的缩孔处，这时温度在二部分的 交界面上或间隙处就会发生突变，这些部位上的温度场不再连续。 2.求解条件 （1）初始条件 对于初始条件的确定，做了如下假设：认为液态金属在瞬间充满铸型后开始凝固： 不考虑凝固期间液相的流动；不考虑金属的过冷。根据假设，铸型的初始温度为室温或 者预热温度，而铸件的初始温度为浇注温度。 （2）边界条件 A.铸件一铸型边界 铸件一铸型边界上的热阻主要包括三部分：铸件单元的热阻、铸型单元的热阻和界 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 7 面热阻，对于均匀网格，其总的传热系数可以表示成6： （2.10 iM M xhm m 1 2 1 ） 在砂型铸造中，砂型的热导率一般为数量级，而界面传热系数 hf )/(103scmJ 为数量级。因此式(210)中分母的第二项远小于第一项，在计算 )/(1010 1 2 scmJ 中可以忽略不计。于是： （2.11 mM M m 2 ） B.铸型一空气边界 因为砂型铸造时砂型外表面温度较低，故只考虑自然对流换热。其自然对流换热系 数 l。可表示为 (2.12) 3/1 )(95 . 0 Th 其中，为砂型表面温度与大气温度之差，。 T C.铸件一空气边界 因为铸件温度比较高，此时热量交换应按辐射换热来计算。辐射换热系数以可表示 为： (2.13) )( 22 m m rTTTTFh 在铸件凝固过程中，冒口表面温度 T 通常大大超过车间温度 Tm，。故可将式 (2.10)简化为； (2.14) 3 TFhr 其中，F 为辐射系数()，为斯蒂芬一玻尔兹曼常数， 1 。2.1.3 本课题所用型砂与铸件的热物性参数 )/(1078 . 6 28 smJ 1.型砂热物性参数 图 2.1 型砂热传导系数（K）温度（T）曲线图 Fig.2.1 Thermal Conduction Coefficient of Sand Model According to Temperature 图 2.2 型砂比热(C，)温度（T，） ckgJ Fig.2.2 Specific Heat of Sand Model According to Temperature 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 9 2.铸件热物性参数 图 2.3 铸件热传导系数（K）（T）温度曲线图 Fig.2.3 Thermal Conduction Coefficient of Sand Model According to Temperatur 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 10 图 2.4 铸件比热(C，)温度（T，）曲线图 ckgJ Fig.2.4 Specific Heat of Casting According to Temperature 2.1.4ANSYS 简介 ANSYS 软件是一款功能非常强大的软件，它是以有限元分析为基础的大型通用软 件，它是由美国 John swanson 博士创建的。ANSYS 软件可广泛的运用于各个行业中， 例如：机械制造，石油化工，轻工，造船，航天航空，汽车交通，电子，土木工程，水 利，铁道，日用家电，生物医学等众工业领域及科学研究等。ANSYS 是现代产品设计 中的高级 CAD 工具之一。 2.1.5 软件功能介绍 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。其中前处理模 块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以使用户方便地构造有限元模型7； 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；而后处理模块则是将计算结果 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，同时也可将计算结果以图表、曲线形 式显示或输出。 用户可以通过鼠标点击菜单项选取和执行，还可以在命令输入窗口通过键盘输入。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 11 命令一经执行，该命令就会在.LOG 文件中列出，打开输出窗口可以看到.LOG 文件的内 容。如果软 件运行过程中出现问题，可以查看.LOG 文件中的命令流及其错误提示，将有助于 我们快速发现问题的根源。.LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中，在 以后进行同样工作时，由 ANSYS 自动读入并执行，这是 ANSYS 软件的第三种命令输 入方式。这种命令方式在进行某些重复性较高的工作时，能够有效地提高工作速度。 ANSYS 分析的适用范围很广，主要包括： 1结构分析： a.静力分析 b.模态分析 c.谐响应分析 d.瞬态动力学分析 e.特征屈曲分析 f.专项分析 h.模拟高度非线性 i.求解冲击、碰撞、快速成型最有效的办法 2热分析： a.计算热膨胀或收缩不均匀引起的应力 b.相变、内热源、三种传递方式（热传导- 热对流-热辐射）8 3电磁分析： a.静磁场分析 b.永变磁场分析 c.瞬态磁场分析 d.电场分析 e.高频电磁场分析 4流体分析： a.CFD b.声学分析 c.容器内流体分析 d.流体动力学耦合分析 5耦合场分析： a.热-应力分析 b.流体-结构相互作用 c.感应加热（电磁-热） ，感应震荡 双击实用菜单中的“Preprocessor”，进入 ANSYS 的前处理模块。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 12 第三章 软件模拟 3.1 建模和 ANSYS 前处理 3.1.1PRO/E 建立铸件模型 如图 3.1，铸件为一矿山转子，材料是灰铸铁。设计中模型的建立分为三个部分， 分别是铸件的建模，砂型的建模和铸件和砂型的布尔运算。 下面是在 Pro/E 软件下建立实体模型,首先利用“拉伸”命令建立圆柱体9，再利用 “去除材料”命令做出一组孔10，最后通过“阵列”命令将所做的孔进行 360 度环形阵 列11，从而生成整个模型，如图 3.2。 图 3.1 铸件实物 Fig.3.1 Casting object 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 13 图 3.2 铸件模型 Fig.3.2 Casting modal 在建立好铸件实体模型后，关闭界面中的各项坐标系及参考。查看无误后，在 Pro/E 环境下以.igs 或.sat 为拓展名保存铸件实体模型文件。由于导入 ANSYS 后，会存 在无缝连接的问题，使布尔操作无法进行，一定要注意选用数值较大的尺寸。如果在 ANSYS 软件中直接建模，则可避免无缝问题12。也是一种处理无缝问题的方法。 在启动 ANSYS 软件后，点击“File”中的“Import” ，选中在 Pro/E 环境下保存的. igs 文件，或者选中.sat 文件，然后将文件导入 ANSYS。 3.1.2 铸件砂型的建立 1.砂型外形的生成 （1）Main MenuPreferencesModelingCreateBlock； （2）输入 X1=-750，X2=750，Y1=350，Y2=-150，Z1=-750,Z2=750，点击“OK”。 如图 3.3 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 14 图 3.3 铸型模型 Fig.3.3 Casting 2. .铸件的复制 （1）Main MenuPreferencesModelingCopy； （2）在弹出的对话框内，设定坐标 Y=500，点“OK”完成铸如图 3.4 所示。 图 3.4 铸件的复制 Fig.3.4 Casting to copy 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 15 3. .完整砂型的生成 （1）Main MenuPreferencesModelingOperateSubtractVolumes； （2）先选中外面的长方体，点“OK” ，再在选中里面的铸件，点“OK”,完成减的 布尔操作。 4. .铸件和砂型型腔的粘接 （1）Main MenuPreferencesModelingMoveModify； （2）输入 Y=-500，点单击“OK”将铸件移回砂型型腔内，完成移动命令。 （3）Main MenuPreferencesModelingOperateGlueVolumes； （4）在弹出的对话框中选“Pick All” ，点“OK”完成铸件和砂型型腔的粘接。如 图 3.5 所示。 图 3.5 型腔 Fig.3.5 Cavity 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 16 3.1.3 铸件在 ANSYS 的前处理过程 1. .选择分析类型 场的数值模拟，所以属于热分析中的瞬态热分析，如图 3.6、图 3.7 所示。 Main Menu Preferences,选择 thermal,点去 OK。 图 3.6 ANSYS 主菜单 Fig.3.6 Main Menu 图 3.7 分析类型 Fig.3.7 Analyze Type 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 17 2. .选择单元的类型 Main Menu PreprocessorElement Typesadd/edit/deleteadd 选择热单元 solid70。如 图 3.8 所示。 图 3.8 单元类型 Fig.3.8 Element Type 3. .输入材料与砂型的参数 a.设定温度单位 Main Menu PreprocessorMaterial PropsTemperature Units，选择摄氏度 Celsius。如 图 3.9 所示。 图 3.9 定义温度单位 Fig.3.9 Define Temperature Unit b.输入参数 Main Menu PreprocessorMaterial PropsMaterial Models 然后在弹出的对话框中依次 定义各项参数，如图 3.10 所示。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 18 图 3.10 定义材料热物性参数 Fig.3.10 Define Material Property 在图 3.11 中 Material Model Number 1 代表的是铸件的模型，Density 代表铸件的密 度，Specific Heat 代表铸件的比热，Enthalpy 代表铸件的焓，Thermal conduct.代表铸件 的热传导系数。 而在图 3.11 中 Material Model Number 2 代表的是砂型的模型，Density 代表砂型的 密度，Specific Heat 代表砂型的比热，Thermal conduct。代表砂型的热传导系数。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 19 3.1 铸件的热参数 Table3.1 Thermal parameters of casting 3.2 铸型的热参数 Table3.2 Thermal parameters of mould 4. .铸件的网格划分 ANSYS 提供了对模型进行网格划分的功能。ANSYS 的程序中提供了四种划分网格 的方法，分别是延伸划分，映像划分，自由划分和自设定划分。 本文采用自设定划分的方法对铸件和砂型进行网格的划分，铸件的网格尺寸是 25 毫米，砂型的网格尺寸是 35 毫米。 （1）Main MenuPreferencesMeshingMeshTool； （2）弹出的对话框中 Element Attributes 一栏中选择 Volunm，然后点击“Set” ，选 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 20 取铸件，在“Material number”一栏中选择 1 号材料属性，点“OK”完成。如图 3.11。 图 3.11 单元划分 Fig.3.8 Element Attributes （3）点击“Mesh”按钮，在界面中选取铸件，点击“OK” 。在弹出的对话框中定 义网格单元尺寸。在“SIZE”一栏中输入 25。即铸件网格单元的尺寸是 25 毫米。如图 3.12。设置完以后就点取“ok”按钮，开始进行网格划分13。结果如图 3.13。 图 3.12 网格划分 Fig.3.12 Meshing 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 21 图 3.13 铸件的网格划分 Fig.3.13 Meshing of Casting 5. .砂型的网格划分 （1）Main MenuPreferencesMeshingMeshTool； （2）弹出的对话框中 Element Attributes 一栏中选择 Volunm，然后点击“Set” ，选 取砂型，在“Material number”一栏中选择 2 号材料属性，点“OK”完成。 如图 3.14 所示。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 22 图 3.14 单元划分 Fig.3.14 Element Attributes （3）点击“Mesh”按钮，在界面中选取砂型，点击“OK” 。在弹出的对话框中定 义网格单元尺寸。在“SIZE”一栏中输入 35。即砂型网格单元的尺寸是 35 毫米。设置 完以后就点取“ok”按钮，开始进行网格划分14。结果如图 3.15。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 23 图 3.15 砂型的网格划分 Fig.3.15 Meshing of Sand Model 3.2 温度场求解过程 3.2.1 定义对流条件 加载时使用了把载荷加载到实体模型上的方法，在求解铸件的温度场之前必须对铸 件设定对流边界条件和施加温度载荷。所谓的温度载荷就是在现实中铸造的时候，铸件 开始凝固的温度是铸件的材料的熔点，把这一温度加到铸件上去。在有限元中就是把熔 点温度加到铸件模型上的每一个节点上去。作者的设计是把温度 1500加载到节点上去， 然后就是把沙箱的温度设定成室温 30。具体的步骤如下： （1）对流条件和初始条件15： A. Main Menu SolutionDefine loadsapplyThermal convectionton Area，选择四个 侧面，点击 OK，在 Bulk temperature 中的初始温度输入 30，在 Film coefficient 中输入 对流 9。 B. Main Menu SolutionDefine loadsapplyThermal convectionton Area，选择底面， 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 24 点击 OK，在 Bulk temperature 中的初始温度输入 30，在 Film coefficient 中输入对流 6。 C.Main Menu:SolutionDefine loadsapplyThermal convectionton Area，选择上表 面，点击 OK,在 Bulk temperature 中的初始温度输入 30，在 Film coefficient 中输入对流 7。最终结果如图 3.16。 图 3.16 对流条件 Fig.3.16 Convection （2）定义温度载荷 A.选择实体：Utility MenuSelectEntitiesVolume,点击 OK，选择铸件,如图 3.17 所 示。 Nodes Attach to, Volume all,然后 SolutionDefine loadsapplyInitial conditn define 再点 pick all,输入温度 1500。如图 3.18 所示。 B.选择砂型：Utility MenuSelectEntitiesVolume OK，选择砂型。点击 Nodes Attach to, Volume all,然后 SolutionDefine loadsapplyInitial conditn define 再点 pick all, 输入温度 30。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 25 图 3.17 选择菜单 Fig.3.17 Select Menu 图 3.18 定义温度 Fig.3.18 Define Temperature （3）显示温度载荷 A.Utility Menu SelectEverthing； B.Utility Menu ListLoadsInitial ConditionsOn all nodes。结果如图 3.19。 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 26 图 3.19 显示温度初值 Fig.3.19 List Initial Conditions 3.2.2 求解设置 （1）设置分析类型 因为铸造过程中铸件凝固是瞬态而且是非线性的，所以把分析类型设为瞬态分析； Main Menu SolutionAnalysis TypeNew Analysis,选择 transient。如图 3.20 所示。 图 3.20 分析类型 Fig.3.20 Analysis Type 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 27 （2）选择求解器 Main Menu SolutionAnalysis TypeAnalysis Options,在 Equation solver 中选择 sparse solver，如图 3.21。 图 3.21 求解器 Fig.3.21 Solver （3）设定总时间和子步时间 Main Menu SolutionLoad Step OptsTime FrequenceTime and Time Step 在其中输入 时间 5000s，子步为 30，最小时间为 5，最大时间为 100。 （4）设定输出选项 Main Menu SolutionLoad Step OptsOutput CtrlsDB/Results File 选择 Every substep。 Main Menu SolutionLoad Step OptsNonlinearLine Search,在 Line Search option 之 中点 on。 （5）求解 Main Menu SolutionSolveCurrent LS,关闭文件，点取 OK. 3.3 基于温度场的分析 3.3.1 温度场模拟结果 ANSYS 的后处理的功能很多，可以把结果以图形或者是数据的形式表示出来。在 天津理工大学中环信息学院 2014 届本科毕业设计说明书 28 读取结果的时候必须把模型给显示出来，这样才可以读出结果数据。具体的方法是： a.如果想以图形的形式显示结果，其菜单的途径是：Main Menu General PostprocPlot ResultsNodal Solu b.如果要数据的形式来显示结果，其菜单的途径是：Main Menu General PostprocList ResultsNodal Solution 1. .查看结果 查看结果包括查看温度云图和查看梯度云图，所谓的温度云图就是计算机把铸件的 有限元模型上的节点温度用不同颜色在模型上表示出来16。梯度的概念就是两相邻等温 面的温度(t+t)及 t 之间的温度差 t，与该两面间的垂直距离 n 之比值的极限称为温度 梯度。而梯度云图就是把模型内的各个节点的梯度值用不同颜色在模型上表示出来。 （1）温度云图分布 Main Menu General PostprocPlot ResultsNodal SoluDOF SolutionTemp Erature.图 3.22，图 3.23，图 3.27 分别采集了时间为 819s,5000s,1319s 时 铸件的温度温度分布图。 （2）梯度云图分布 Main Menu:General PostprocPlot ResultsNodal SolutTh