热分析教程 九PPT课件

1、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第1页/共38页相 - 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GasLiquidSolid第2页/共38页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。第3页

2、/共38页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 潜热 。第4页/共38页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。第5页/共38页热焓(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

3、) 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 or BTU/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。第6页/共38页相变在相变分析中，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。第7页/共38页潜热和比热的关系潜热TlTsH“模糊区”Ts = 固体温度Tl = 液体温度注: 本图中,

4、 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第8页/共38页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:第9页/共38页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。第10页/共38页相变分析的求解 (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.

5、线性搜索 工具, 因为相变是高度非线性问题。第11页/共38页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)。第12页/共38页例题 - 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。第13页/共38页例题 - 飞轮铸造分析飞轮铸造例题-指南部件在圆柱

6、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 7.5 W/m2-C ，顶面换热系数为5.75 W/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。第14页/共38页例题 - 飞轮铸造分析飞轮几何尺寸:第15页/共38页例题 - 飞轮铸造分析沙模几何尺寸:第16页/共38页例题 - 飞轮铸造分析飞轮模型第17页/共38页例题 - 飞轮铸造分析沙模模型:第18页/共38页二维轴对称模型例题 - 飞轮铸造分析第19页/共38页沙模特性 (常数):热传导

7、系数: 0.346 W/m-C密度:1520 kg/m3比热:816 J/kg-C铝的热传导系数:Temperature ( C)KXX (W/m- C)100206200215300228400249530249800290例题 - 飞轮铸造分析第20页/共38页材料特性图:KXX vs. 时间 材料 2例题 - 飞轮铸造分析第21页/共38页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2 C过渡区域)。PropertyValueMelting Point696 CDensity270

8、7 kg/m3Cs, Solid Specific Heat896 J/kg- CCl,Liquid Specific Heat1050 J/kg- CL, Latent Heat3956440 J/kg(or from L x Density)1.0704e9 J/m3例题 - 飞轮铸造分析第22页/共38页例题 - 飞轮铸造分析在 固体 温度以下:在固体温度时:第23页/共38页例题 - 飞轮铸造分析对于 相变 区域:第24页/共38页例题 - 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:第25页/共38页例题 - 飞轮铸造分析T1HHsHlCsClC*HsTsTlT

9、2TT潜在热量(曲线下的区域)L and UsingcdT第26页/共38页例题 - 飞轮铸造分析使用这些关系生成热焓数值，结果为:第27页/共38页例题 - 飞轮铸造分析绘制 材料 2 (铝)的热焓曲线:第28页/共38页例题 - 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)。第29页/共38页例题 - 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

10、。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。第30页/共38页例题 - 飞轮铸造分析使用时间历程后处理器查看时间步。第31页/共38页例题 - 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, T3 and T4) :第32页/共38页例题 - 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:第33页/共38页例题 - 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变的材料。第34页/共38页例题 - 飞轮铸造分析