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Chapter9 相变分析 9 2 本章简介 相变术语理论材料特性瞬态分析指南例题 飞轮的铸造使用热焓材料特性通用后处理时间历程后处理 9 3 相 物质的一种确定原子结构形态 均匀同性 有三种基本的相 相变 系统能量的变化 增加或减少 可能导致物质的原子结构发生改变 通常的相变过程称为固结 溶化 汽化或凝固 术语 Gas Liquid Solid 9 4 ANSYS应用性 ANSYS涉及相变的重要有限元应用有 液体的凝固或固结固体的溶化液 汽相变问题需要的热传递分析后进行流体分析 许多计算流体动力学软件可以处理液 汽流动和相变 相变分析必须使用瞬态热分析求解 本章主要讲解典型的相变问题 金属的凝固过程 9 5 潜在热量 当物质相变时 温度保持不变 例如 冰在0 C准备溶解 热量输入冰中 冰转化为水 冰完全转化为水时 温度还是0 C 当温度不变时 热量到哪里去了 热量在物质粒子状态改变过程中被吸收了 在物质相变种需要的热量称为溶化的潜在热量 9 6 热焓 相变分析必须考虑材料的潜在热量 热焓材料特性 ENTH 用来计入潜在热量 热焓由密度和比热得出 在相变分析中应作为材料特性输入 模型中其它材料应输入密度和比热数值 只要定义材料的比热和密度或热焓 而非全部 热焓数值随温度变化 因此 热分析是非线性的 9 7 热焓 续 在相变分析中 热焓数值必须作为材料特性输入 经典 热动力学 热焓数值单位是能量单位 为kJ或BTU 单位热焓单位为能量 质量 为kJ kg或BTU lbm ANSYS热焓材料特性单位为能量 体积 为KJ m3或orBTU ft3 如果热量 体积热焓数值在某些材料中不能使用时 它可以用密度 比热和物质潜在热量得出 9 8 相变 在相变分析中 固体和液体并存的情况下 温度会有很小的变动 物质完全呈现液态的温度 液体温度 为Tl 物质完全呈现固态的温度 固体温度 为Ts 通过这样两个温度 潜在热量效果包括进有限单元生成过程中 9 9 潜在热量和比热的关系 潜在热量 Tl Ts H Mushyzone Ts 固体温度Tl 液体温度注 本图中 Tl Ts很小 对于纯材料 Tl Ts应该为0 相变时热焓变化相对温度变化而言十分迅速 T 9 10 控制方程 不随相变改变 此处计入相变 系统产生相变时 其控制方程如下 9 11 相变分析的求解 进行相变分析时 使用 打开时间积分的瞬态分析 时间步初始数值较小 时间步也很小 自动时间步 低阶单元类型 PLANE55或SOLID70 如果选择的高阶单元 打开对角比热矩阵选项 9 12 相变分析的求解 续 在求解相变问题时 可以使用以下方法改进收敛性 1 反向欧拉时间积分 反向微分 瞬态积分参数 theta 为1 0 这在求解控制打开时是缺省设置 2 线性搜索工具 因为相变是高度非线性问题 9 13 后处理 相变分析的结果可能包括 温度vs 时间 时序图 完全相变所需时间 溶化或凝固时间 物质在任何时间间隔溶化 凝固的预测 通过温度云图 这些结果对评估相变过程中的设计参数很有用 如 在铸造过程中的溶化材料或壁厚 9 14 例题 飞轮铸造分析 问题描述 对铝制飞轮的铸造过程作相变分析 飞轮是将溶解的铝注入沙模中制造的 分析目的 研究飞轮凝过程 为了说明上述的概念和理论 我们研究一些飞轮铸造的凝固过程 ANSYS命令流文件在附录B中 9 15 例题 飞轮铸造分析 飞轮铸造例题 指南部件在圆柱省沙模 高20厘米 半径25厘米 中间 铝在750 C时注入沙模 沙模初始温度为25 C 模型顶面和侧面与沙模通过自由对流交换热量 环境温度为30 C 侧面换热系数为7 5W m2 C 顶面换热系数为5 75W m2 C 铸造模型为轴对称 沙的热材料特性假设为均匀 铝随时间变化 9 16 例题 飞轮铸造分析 飞轮几何尺寸 9 17 例题 飞轮铸造分析 沙模几何尺寸 9 18 例题 飞轮铸造分析 飞轮模型 9 19 例题 飞轮铸造分析 沙模模型 9 20 二维轴对称模型 例题 飞轮铸造分析 9 21 沙模特性 常数 热传导系数 0 346W m C密度 1520kg m3比热 816J kg C铝的热传导系数 例题 飞轮铸造分析 9 22 材料特性图 KXXvs 时间材料2 例题 飞轮铸造分析 9 23 铝的热焓数据没有直接给出 但我们有如下数据可以计算热焓 定义热焓材料特性 选择Ts 695 C和Tl 697 C 在液体和固体两相间给出变化范围 例题 飞轮铸造分析 9 24 例题 飞轮铸造分析 在固体温度以下 在固体温度时 9 25 例题 飞轮铸造分析 对于相变区域 9 26 例题 飞轮铸造分析 在固体和液体温度之间 在液体温度时 超过液体温度时 9 27 例题 飞轮铸造分析 T1 H Hs Hl Cs Cl C Hs Ts Tl T2 T T 潜在热量 曲线下的区域 9 28 例题 飞轮铸造分析 使用这些关系生成热焓数值 结果为 9 29 例题 飞轮铸造分析 绘制材料2 铝 的热焓曲线 9 30 例题 飞轮铸造分析 本模型使用一种单元类型 PLANE55 轴对称 两种材料 铝 带有相变 和沙 均匀材料特性 使用静态分析确定初始温度 沙模为25 C铝750 C 同样可以使用IC命令得到 沙模外侧面和顶面有对流 在底面和中心线无边界条件 绝热 9 31 例题 飞轮铸造分析 瞬态载荷步在删除初始温度后开始 打开时间积分 使用反向欧拉时间积分 打开线性搜索工具 终止时间为2400秒 40分 初始时间步为0 01秒 最小和最大时间步分别设为0 0001和100秒 打开自动时间步长 9 32 例题 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器查看时间步 9 33 例题 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器绘制铝在几个点的温度 T1 T2 T3andT4 9 34 例题 飞轮铸造分析 使用时间历程后处理器绘制沙模在几个点的温度 9 35 例题 飞轮铸造分析 通用后处理器可以用来观察材料凝固前的情况 操作如下 设置两个范围值 一个时固体温度 695 C 一个超过最高温度 900 C 在节点温度图上 凝固的材料接近蓝色 红色代表液体或正在相