ANSYS 热分析培训 第九章

1、第 9 章,相变分析,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,March 30, 2002,相 - 物质的一种分子结构形态，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)可能导致物质发生相变变。 通常的相变过程称为凝固，溶化，汽化或液化。,术语,气体,流体,固体,March 30, 2002,ANSYS 应用性,ANSYS涉及相变的重要有限元应用有: 液体的凝固或冻结 固体的溶化 液-汽 相变问题需要在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

2、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。,March 30, 2002,潜热,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。 在物质相变时需要的热量称为溶化的 潜热 。,March 30, 2002,热焓,相变分析必须考虑材料的潜热。 热焓材料特性(ENTH)用来计入潜热。 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

3、度变化。因此，热分析是非线性的。,March 30, 2002,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 or BTU/ft3. 如果热量/体积热焓数据在某些材料中不能使用时，它可以用密度、比热和物质潜热得出。,March 30, 2002,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. 在

4、这两个温度间，潜热效果包括进有限元公式中。,March 30, 2002,潜热和比热的关系,潜热,Tl,Ts,H,“模糊区”,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。,相变时热焓随温度变化十分迅速。,T,March 30, 2002,控制方程,系统产生相变时，其控制方程如下:,March 30, 2002,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。 初始时间步长和最小时间步长都较小。 自动时间步。 低阶单元类型 (PLANE55 或SOLID70)。 如果选择的高阶单元，打开对角化比热矩阵选项。,M

5、arch 30, 2002,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.向后欧拉 时间积分 (向后微分)。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。,March 30, 2002,后处理,相变分析的结果可能包括: 温度 vs. 时间 (时间历程图)。 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)。,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,问

6、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。,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,飞轮铸造例题-指南 部件在圆柱形沙模(高20厘米，半径25厘米)的中心。 铝在750 C时注入沙模。 沙模初始温度为 25 C。 模型顶面和侧面与环境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常数，铝随时间变化。

7、,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,飞轮几何尺寸:,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,沙模几何尺寸:,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,飞轮模型,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,沙模模型:,March 30, 2002,二维轴对称模型,例题 - 飞轮铸造分析,March 30, 2002,沙模特性 (常数): 热传导系数: 0.346 W/m-C 密度:1520 kg/m3 比热:816 J/kg-C 铝的热传导系数:,例题 - 飞轮铸造分析,March 30, 2002,材料特性图:材料 2 的KXX vs.

8、时间变化图,例题 - 飞轮铸造分析,March 30, 2002,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)。,例题 - 飞轮铸造分析,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,在 固体 温度以下: 在固体温度时:,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,对于 相变 区域:,March 30, 2002,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:,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,T

9、1,H,Hs,Hl,Cs,Cl,C*,Hs,Ts,Tl,T2,T,T,潜热 (曲线下的区域),March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,使用这些关系生成热焓数值，结果为:,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,绘制 材料 2 (铝)的热焓曲线:,March 30, 2002,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 (恒定材料特性). 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)。,Marc

10、h 30, 2002,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。使用向后欧拉时间积分。 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。,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,使用时间历程后处理器查看时间步。,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,使用时间历程后处理器绘制铝块中几个位置的温度变化 (T1, T2, T3 and T4) :,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,使用时间历程后处理器绘制沙模上几个位置的温度变化:,March 30, 2002,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: 设置两个等值线的值，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。,March 30, 2002,例题 - 飞轮铸造分析,在时