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基于ANSYS软件铸造温度场的数值模拟


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四川理工学院毕业设计(论文)

金属型铸造温度场的 ANSYS 模拟

学 学 专 班

生:何



号:04031020306 业:材料科学与工程 级:金属 2004.1 永 中<

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指导教师:金

四川理工学院材料与化学工程系
二 OO 八年六月

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摘要
金属型铸造的凝固过程温度场分布直接影响着铸型寿命和铸件质量。 本文采 用 ANSYS 软件,通过创建几何模型、划分网格、加载求解等过程对铸造温度场进 行模拟。实验结果表明:在金属型铸造过程中,金属型壁厚不同,金属型材料不 同,金属型预热温度不同,都会影响铸造温度场分布,从而影响金属型的寿命和 铸件质量。 通过对模拟结果的分析, 可以为铸型的变形、 开裂倾向和铸件的裂纹, 冷隔等缺陷的预测提供依据。 关键词:金属型铸造,温度场分布,ANSYS 软件,铸造缺陷

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Abstract The temperature field distribution of the metal mold casting's solidification process can immediate influence the life of casting and the quality of casting. In this paper, uses the ANSYS software, through foundation processes such as creating a geometric model、division grid、load solution and so on to carries on the simulation to the casting temperature field. The tests results show that: In the metal mold casting process, the different metal mold wall thickness, the different metal mold material, the different metal mold preheating temperature, can affect the casting temperature field distribution, thus influence metal mold life and casting quality. Through the analysis of the simulation results, provide the basis for the forecast of the defects such as the deformation of casting, cracking tendencies and the crack casting, cold shot and so on. Key words: metal mold casting, temperature field distribution, ANSYS software, casting defects

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中文摘要 .................................................................................................. Ⅰ 英文摘要 .................................................................................................. Ⅱ 1 绪论.......................................................................................................... 1 1.1 问题的提出和研究意义 .............................................................................. 1 1.2 研究现状 ................................................................................................ 1 1.2.1 金属型铸造的应用与发展 ....................................................................... 3 1.2.2 铸造过程中温度场的计算机模拟 ............................................................. 4 1.3 本文研究目的和研究内容 ........................................................................... 5 1.4 铸造缺陷分类 .......................................................................................... 6 铸造缺陷分类 1.5 ANSYS 软件组成....................................................................................... 6 2 数值模拟过程 ......................................................................................... 8 2.1 模拟方案的确定 ....................................................................................... 8 模拟方案的确定 方案 2.2 实验内容 ................................................................................................ 9 2.2.1 材料及参数的选择 ............................................................................... 9 2.2.2 构建数学模型 ................................................................................... 10 2.2.3 网格划分 ......................................................................................... 11 2.2.4 施加载荷与求解 ................................................................................ 11 2.2.5 后处理 ............................................................................................ 11 3 实验结果与讨论 ................................................................................... 13 3.1 铸造温度场的分布 .................................................................................. 13 铸造温度场的分布 3.2 金属型材料对铸造温度场的影响 ................................................................ 16 3.3 金属型工作温度对铸造温度场的影响 .......................................................... 22 金属型工作温度对铸造温度场的影响 4 结论与展望 ........................................................................................... 28 4.1 结论 ...................................................................................................... 28 4.2 展望 ...................................................................................................... 28 致谢 ............................................................................................................ 29 参考文献 ..................................................................................................... 30

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1 绪论
1.1 问题的提出和研究意义
铸造是制造业的基础,也是国民经济的基础产业,各行业都离不开铸件,从汽 车、机床,到航空、航天、国防以及人们的日常生活,如建筑五金、家用电器等等 都需要铸件。没有高质量的铸件,就不可能有好的装备[1]。 铸造是高温金属液填充铸型型腔,并在其中凝固冷却的过程。此过程包括许 多用肉眼难以直接观察,对铸件质量产生重要影响的物理、化学作用。长期以来 由于缺乏直接考察这一过程的有效手段,在生产各类铸件时,主要凭技术人员的 经验进行铸造工艺设计和铸件质量分析, 铸造水平长期停留在凭经验组织生产阶 段。尤其在大批、大量铸件生产之前,一般先试制 3~5 件,解剖分析,修改铸造 工艺,再试制,再解剖检查,确认铸造工艺没问题后,才批量生产。因此,存在 新产品试制周期长、 工装调修量大、 铸件质量不稳定、 生产成本高等一系列问题, 已经满足不了市场经济发展的需要[2]。 针对上述问题,近年来,计算机已经介入铸造这一古老而又落后的行业。利 用这种先进的方法对铸造凝固过程进行数值模拟,可以预测缩孔、缩松出现的可 能性。如果能在实际生产前就对铸件在浇注、凝固过程中可能产生缺陷的部位、 大小及发生时间进行有效的预测,进而对现有工艺进行优化分析,从而在实际生 产前就采取对策, 确保铸件质量, 这无疑对铸造生产来说具有非常重要的意义[3]。 计算机模拟技术使得这一梦想变成为现实, 通过计算机数值模拟技术在铸件生产 中的应用,提高了铸件质量,缩短了产品研制周期,节约了材料成本,取得了可 观的效益[4]。

1.2 研究现状
1.2.1 金属型铸造的应用与发展
金属型铸造是利用重力将液态金属(合金/浇注入金属材质的铸型中,并在 重力的作用下凝固成型以获得铸件的一种铸造方法。在永久型铸造中,金属型铸 造是应用得最广泛的方法,特别是铝、镁合金的金属型与砂型铸造已居于同等重 要的地位。由于轻台金金属型铸件的质量(机械性能、针孔度,尺寸精度与表面 光洁度等)显著地优于砂型铸件,同时,金属型的寿命(浇注次数)很长,可达数千 次到数万次,因此在中小型铸件的成批生产中,大都采用金属型铸造[5]。 在设计金属型及制订铸造工艺方案时,必须考虑到它的特点,这样才能合理 地解决铸型结构和铸造工艺问题.获得质量优良的铸件。和砂型比较起来,金属

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型具有下列一些特点: (1) 金属型材质的导热系数和热容量很大,使浇入的液态金属很快冷却,迅 速地丧失了流动性, ;降低了充填铸型的能力。故铸型使用时必须加热到一定的 高乱并且各浇注周期之间应保持热平衡。 (2) 金属型对于铸件凝固冷却产生的收缩没有退让性,容易使铸件产生很大 的内应力,甚至可能产生变形和裂纹.故要求能迅速地拔芯和取出铸件。同时也 使得能应用的铸造合金受到限制,某些易热裂的合金不适宜采用金属型铺造。 (3) 金属材料无透气性,必须在结构上采用特殊的措施,来排出型腔中的空 气和砂芯发生的气体。 (4) 金属型能采用垂直及互相垂直的分型面或多分卫面的结构,有更大的可 能来满足对铸型结构的要求,使铸造工艺更趋合理。 (5) 金属型铸造是多次重复浇注,所以铸件出型时不允许损坏铸型也不应使 铸件本身受到损伤。为此铸型上常常采用多种活块、或多分面的结构。 (6) 金属型铸件的冷却条件.可以方便地利用涂料进行调整。采用这种工艺 措施,可获得更完好的而且冶金质量更高的铸件。 (7) 金属型制造复杂,成本高,必须从结构上和工艺上保证它有足够长的寿 命,这样在经济上才合算[6]。

1.2.2 铸造过程中温度场的计算机模拟
在铸造生产中,铸件凝固过程是最重要的过程之一,大部分铸造缺陷的产生 于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺,预测与控制铸件质量和各种 铸造缺陷以及提高生产效率非常重要。 铸件的质量及许多铸造缺陷与铸件凝固冷 却过程中的温度场及其变化规律有关。对铸件温度场的数值摸拟,不但可使人们 能更好地控制凝固过程获得优质铸件,而且也是铸件形成过程中其它摸拟(如对 流场、应力场)的基础[7]。

1.3 本文研究目的和研究内容
本文以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究对象,采用有限单元法,利用 ANSYS 软件,将铸件凝固过程的温度场,真实直观地展现出来,并结合缺陷的 产生机理,对具体铸件进行缺陷预测。

1.4 铸造缺陷分类
在铸造生产中,常见的铸件缺陷有 100 多种。我国国家标准 GB/T5611-1998 《铸造术语》根据铸件缺陷的形貌特征将其分为 8 大类:①多肉类缺陷,②孔洞

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类缺陷,③裂纹、冷隔类缺陷,④表面类缺陷,⑤残缺类缺陷,⑥形状及重量差 错类缺陷,⑦夹杂类缺陷,⑧性能,成分及组织不合格类缺陷[8]。现分析如下:

1.4.1 多肉类缺陷
多肉类缺陷是铸件表面各种多肉类缺陷的总称, 主要有: (飞边、 飞翅 披缝) 、 毛刺、外渗物(外渗豆) 、粘模多肉、冲砂、掉砂、胀砂、抬型(抬箱)等。

1.4.2 孔洞类缺陷
孔洞类缺陷是在铸件表面和内部产生的不同大小、形状的孔洞类缺陷类总 称,主要有气孔、气缩孔、针孔、表面针孔、皮下针孔、呛火、收缩缺陷、缩孔、 疏松(显微疏松) 、渗漏等。

1.4.3 裂纹、冷隔类缺陷
裂纹、冷隔类缺陷主要有:冷裂、热裂、缩裂(收缩裂纹) 、热处理裂纹、 网状裂纹(龟裂) 、白点(发裂) 、冷隔、浇注断流、重皮等。

1.4.4 表面类缺陷
表面类缺陷是铸件表面上产生的各种缺陷的总称,主要有表面粗糙、粘砂、 化学粘砂、机械粘砂(渗透粘砂) 、夹砂结疤(夹砂) 、涂料结疤、沟槽、粘型、 龟裂(网状花纹) 、流痕(水纹) 、缩陷、鼠尾、印痕、皱皮、拉伤等。

1.4.5 残缺类缺陷
残缺类缺陷是铸件由于各种原因造成的外形缺损缺陷的总称,主要有:浇不 到(浇不足) 、未浇满、型漏、损伤、跑火、漏空等。

1.4.6 形状及重量差错类缺陷
形状及重量差错类缺陷主要有: 铸件变形、 形状不合格、 尺寸不合格、 拉长、 挠曲、错型(错箱) 、错芯、偏芯(漂芯) 、型芯下沉、串皮、型壁移动、春移、 缩沉、缩尺不符、坍流、铸件重量不合格(超重)等。

1.4.7 夹杂类缺陷
夹杂类缺陷是铸件中各种金属和非金属夹杂物的总称。通常是氧化物、硫化 物、硅酸盐等杂质颗粒机械地保留在固体金属中内,或凝固时在金属内形成,或 在凝固后的反应中,在金属内形成。主要有夹杂物(内生夹杂物和外生夹杂物) 、 夹渣、黑渣、涂料渣孔、冷豆、磷豆、内渗物(内渗豆) 、砂眼、锡豆、硬点、 渣气孔等。

1.4.8 性能,成分及组织不合格类缺陷
性能,成分及组织不合格类缺陷主要有:物理、力学性能不合格、化学成分 不合格、金相组织不合格、白边过厚、菜花头、断晶、反白口、过烧、巨晶、亮 皮、偏析、反偏析、正偏析、宏观偏析、微观偏析、重力偏析、晶间偏析(晶界 偏析) 、晶内偏析(枝晶偏析) 、球化不良、球化衰退、组织粗大、石墨粗大、石

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墨集结、铸态麻口、石墨漂浮、表面脱碳等[9]。

1.5 ANSYS 软件组成
1.5.1 ANSYS 简介
ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限 元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发。它能 与多数 CAD 软件接口,实现数据的共享和交换,如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD 等,是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一[10-12]。

1.5.2 ANSYS 软件组成
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。前处理 模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模 型;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;后处 理模块可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,也 可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 (1) 前处理模块 PREP7 双击实用菜单中的“Preprocessor”,进入 ANSYS 的前处理模块。这个模块主 要有两部分内容:实体建模和网格划分。实体建模:ANSYS 程序提供了两种实体 建模方法:自顶向下与自底向上。 自顶向下进行实体建模时,用户定义一个模型的最高级图元,如球、棱柱, 称为基元,程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接 构造几何模型,如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向 下还是自底向上方法建模,用户均能使用布尔运算来组合数据集,从而“雕塑出” 一个实体模型。ANSYS 程序提供了完整的布尔运算,诸如相加、相减、相交、 分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时,对线、面、体、基元的布尔操作能 减少相当可观的建模工作量。ANSYS 程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、 延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括圆弧构造、切线构造、通过 拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分 的硬点的建立、移动、拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时,用户从最低级的图元向上构造模型,即:用户首 先定义关键点,然后依次是相关的线、面、体。 网格划分:ANSYS 程序提供了使用便捷、高质量的对 CAD 模型进行网格划

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分的功能。包括四种网格划分方法:延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划 分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用 户将几何模型分解成简单的几部分,然后选择合适的单元属性和网格控制,生成 映像网格。ANSYS 程序的自由网格划分器功能是十分强大的,可对复杂模型直 接划分, 避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来 的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后,用户指示程 序自动地生成有限元网格, 分析、 估计网格的离散误差, 然后重新定义网格大小, 再次分析计算、估计网格的离散误差,直至误差低于用户定义的值或达到用户定 义的求解次数。 (2) 求解模块 SOLUTION 前处理阶段完成建模以后,用户可以在求解阶段获得分析结果。点击快捷工 具区的 SAVE_DB 将前处理模块生成的模型存盘,退出 Preprocessor,点击实用 菜单项中的 Solution,进入分析求解模块。在该阶段,用户可以定义分析类型、 分析选项、载荷数据和载荷步选项,然后开始有限元求解。ANSYS 软件提供的 分析类型如下: ① 结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对 结构的影响并不显著的问题。 ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析, 而且也可以进行非线性分析,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。 ② 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。 与静力分 析不同,动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。 ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波 响应分析及随机振动响应分析。 ③ 结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可 求解静态和瞬态非线性问题,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 ④ 动力学分析 ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。 当运动的积累影响起主要作用时, 可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性, 并确定结构中由此产生的应 力、应变和变形。 ⑤ 热分析 程序可处理热传递的三种基本类型:传导、对流和辐射。热传递的三种类型 均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔

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解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热-结构耦合分析能力。 ⑥ 电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、 磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发 电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。 ⑦ 流体动力学分析 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析,分析类型可以为瞬态或稳态。分 析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。 并且可以利用后处理功能 产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外,还可以使用三维表面效应单元和 热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。 ⑧ 声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播, 或分析浸在流体 中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应,研究音乐 大厅的声场强度分布,或预测水对振动船体的阻尼效应。 ⑨ 压电分析 用于分析二维或三维结构对 AC(交流) 、DC(直流)或任意随时间变化的 电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风 等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。 可进行四种类型的分析: 静态分析、 模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。 (3) 后处理模块 POST1 和 POST26 ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分: 通用后处理模块 POST1 和时间历 程后处理模块 POST26。通过友好的用户界面,可以很容易获得求解过程的计算 结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流 等,输出形式可以有图形显示和数据列表两种。 ① 通用后处理模块 POST1 点击实用菜单项中的“General Postproc”选项即可进入通用后处理模块。这个 模块对前面的分析结果能以图形形式显示和输出。例如,计算结果(如应力)在 模型上的变化情况可用等值线图表示,不同的等值线颜色,代表了不同的值(如 应力值) 。浓淡图则用不同的颜色代表不同的数值区(如应力范围) ,清晰地反映 了计算结果的区域分布情况。 ② 时间历程响应后处理模块 POST26 点击实用菜单项中的 TimeHist Postpro 选项即可进入时间历程响应后处理模 块。这个模块用于检查在一个时间段或子步历程中的结果,如节点位移、应力或 支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表查看。绘制一个或多个变量随频率或其

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它量变化的曲线,有助于形象化地表示分析结果。另外,POST26 还可以进行曲 线的代数运算[13]。

2 数值模拟过程
2.1 模拟方案的确定
本试验采用 ANSYS9.0 有限元分析软件,对带轮(图 2.1)铸造的浇注过程 进行温度场模拟。模拟方案如下: 第一步:建立工作文件名和工作标题 第二步:定义单元类型 第三步:定义材料性能参数 第四步:创建几何模型,划分网络 第五步:加载求解 第六步:查看求解结果

图 2.1 带轮零件图

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2.2 数值模拟的内容
2.2.1 材料及参数的选择
表 2.1 带轮材料的热性能参数

温度 ℃ 25 1533 1595 1670 金属型材料 灰口铸铁 铸工业纯铜 28.8 31.2 24.5 24.5

导热系数 W/m·℃ 0

焓 J/m3 7.5E9 9.6E9 1.1E10 比热 J/kg·℃ 461 385

表 2.1 金属型材料热性能参数

导热系数 W/m· ℃ 密度 kg/ m3 47.7 378 7200 8930

2.2.2 构建数学模型
生成四个矩形面: (1)选择 Utility Menu/PlotCtrls/Style/Colors/Reverse Vedio 命令。 (2) 选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Rectangle/By/ Dimensions 命令,出现 Create Rectangle By Dimensions 对话框。参照图 2.2 进行设置。

图 2.2 生成矩形面对话框

(3)单击 Apply 按钮,在 X1,X2 X-coordinates 输入框中输入 0.15,0.325, 在 Y1,Y2 Y-coordinates 输入框中输入 0.15,0.225。 (4) 单击 Apply 按钮, X1,X2 X-coordinates 输入框中输入 0.325, 在 0.375, 在 Y1,Y2 Y-coordinates 输入框中输入 0.05,0.375。 (5)单击 Apply 按钮,在 X1,X2 X-coordinates 输入框中输入 0,0.405, 在 Y1,Y2 Y-coordinates 输入框中输入-0.03,0.53,单击 OK 键关闭该对话框。 (6)面相加操作: 选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Add/Areas,弹出一

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个拾取框,单击 Pick All 按钮。 (7)选择 Utility Menu/Plot/Lines 命令,显示所有线段。 ( 8 ) 打 开 线 编 号 : 选 择 Utility Menu/PlotCtrls/Number, 弹 出 Plot Numbering Controls 对话框,选择 Line Number 复选框,单击 Ok 按钮。 (9)线倒角:选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Lines/Line Fillet 命令,出现 Line Fillet 菜单,选择编号为 L14,L7 的线段,单击 Apply 按钮,出现如图 2.3 所示的 Line Fillet 对话框,输入 RAD=0.025,单击 Apply 按钮,重复上述操作,对线 L7 与 L16,L5 与 L13,L5 与 L15 倒角。 (10) 打开关键点编号: 选择选择 Utility Menu/PlotCtrls/Number,弹出 Plot Numbering Controls 对话框,选择 Keypoint Number 复选框。 (11)生成圆弧线:选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Lines/Arcs/By End KPs&Rad,弹出 一个拾取框,拾取编号为 12 与 11 的关键点,单击 Apply 按钮,拾取编号为 10 的圆弧中心点,单击 Apply 按钮,弹出如图 2.4 所示的 Arcs By End KPs&Rad 对话框,在 RAD Radius of the arc 输入框中输入 0.05,其余选项采用默认设 置,单击 Apply 按钮,重复上述操作对编号为 9,10 及 12 的关键点生成圆弧, 最后单击 Ok 按钮。

图 2.3 线倒角对话框

图 2.4 生圆弧线段对话框

(12)由线生成面:

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选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Create/Areas/Arbitrary/By Lines, 弹出一个拾取框,拾取编号为 17,18,19 的线段,单击 Apply 按钮,拾取编号 为 20,21,22 的线段,单击 Apply 按钮重复上述过程,对线“23,24,25”“26, , 27,28”“11,29”“9,30”进行生成面的操作,最后单击 Ok 按钮。 , , (13)面相加: 选择 Main Menu/Preprocessor/Modeling/Operate/Booleans/Add/Areas,弹出一 个拾取框,单击 Pick All 按钮。 (14)选择 Utility Menu/PlotCtrls/style/Colors/Reverse Vedio 命令, 生成的结果如图 2.5 所示。

2.2.3 网络划分
(1)选择 Main Menu/Preprocessor/Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size 命 令,出现 Global Elenent Sizes 对话框,在 SIZE Element edge lengths 输入 框中输入 0.01,单击 Ok 键关闭该对话框。 ( 2 ) 选 择 Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh Attributes/Default Attribs 命令,出现 Meshing Attributes 对话框,在[MAT] Material number 下拉列表框中选择 2,如图 2.6 所示,单击 Ok 键关闭该对话框。

图 2.5 生成的几何模型结果显示

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图 2.6 网络划分属性对话框

(3)选择 Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Areas/free 命令,出现 Mesh Areas 菜单,选择编号为 A1 的面,单击 Ok 按钮关闭该菜单。 (4)选择 Utility Menu/Plot/Areas 命令。 (5)选择 Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh/Areas/free 命令,出现 Mesh Areas 菜单,选择编号为 A2 的面,单击 Ok 按钮关闭该菜单。 ( 6 ) 选 择 Main Menu/Preprocessor/Meshing/Mesh Attributes/Default Attribs 命令,出现 Meshing Attributes 对话框,在[MAT] Material number 下拉列表框中选择 1,单击 Ok 键关闭该对话框。 (7)选择 Utility Menu/Plot/Elements 命令,网络划分后的结果如图 2.7 所示。

图 2.7 网络划分结果显示

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2.2.4 施加载荷与求解
(1)选择 Main Menu/Solution/Analysis Type/New Analysis 命令,出现 New Analysis 对话框, 选择分析类型为 Transient。 单击 Ok 按钮, 出现 Transient Analysis 对话框,在[TRNOPT]Solusion method 单选框中选择 Full,单击 Ok 按 钮关闭该对话框。 (2)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。 (3)选择 Main Menu/ Solution/Load Step Opts/Time/Frequenc/Time-Time Step 命令,出现 Time and Time Step Options 对话框,在[TIME] Time at end of load step 输入框中输入 0.01,在[DELTIM] Time step size 输入框中输入 0.01,其他选项采用默认设置,单击 Ok 键关闭该菜单。 ( 4 ) 选 择 Main Menu/ Solution/Load Step Opts/Time/Frequenc/Time Integration/Ampitude Decay 命令,出现 Time Integration Controls 对话框, 参照图 2.8 进行设置,单击 Ok 按钮关闭该对话框。 (5)选择 Utility Menu/Plot/Areas 命令。 (6)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对 话框,在第 1 个下拉列表中选择 Areas,在第 2 个下拉列表中选择 By Num/pick, 在第 3 单选框中选择 From Full,单击 Ok 按钮,出现 Select areas 菜单,选择 编号为 A1 的面,单击 Ok 键关闭该菜单。

图 2.8 时间积分控制对话框

(7)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对 话框,在第 1 个下拉列表中选择 Nodes,在第 2 个下拉列表中选择 Attached to, 在第 3 单选框中选择 Areas all, 在第 4 单选框中选择 From Full,单击 Ok 键关 闭该菜单。 (8)选择

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Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/On/Nodes 命 令,出现 Apply TEMP on Nodes 菜单,单击 Pick All 按钮,出现 Apply TEMP on Nodes 对话框,在 Lab2 DOFs to be constrained 列表框中选择 TEMP,在 VALUE Load TEMP value 输入框中输入 1670,如图 2.9 所示,单击 Ok 按钮关闭该对话 框。ANSYS 显示窗口将出现如图 2.10 所示的铸件施加温度载荷后效果图。 (9)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。

图 2.9 施加温度载荷对话框

图 2.10 铸件加载温度载荷后效果图

(10)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities

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对话框, 在第 1 个下拉列表中选择 Areas, 在第 2 个下拉列表中选择 By Num/pick, 在第 3 单选框中选择 From Full,单击 Ok 按钮,出现 Select areas 菜单,选择 编号为 A2 的面,单击 Ok 键关闭该菜单。 (11)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对话框, 在第 1 个下拉列表中选择 Nodes, 在第 2 个下拉列表中选择 Attached to, 在第 3 单选框中选择 Areas all, 在第 4 单选框中选择 From Full,单击 Ok 键关 闭该菜单。 (12)选择 Main Menu/ Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Temperature/On/Nodes 命 令,出现 Apply TEMP on Nodes 菜单,单击 Pick All 按钮,出现 Apply TEMP on Nodes 对话框,在 Lab2 DOFs to be constrained 列表框中选择 TEMP,在 VALUE Load TEMP value 输入框中输入 300,单击 Ok 按钮关闭该对话框。 (13)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。 (14)选择 Utility Menu/Plot/Lines 命令。 ( 15 ) 选 择 Utility Menu/PlotCtrls/Numbering, 弹 出 Plot Numbering Controls 对话框,选择 LLNE Line Numbers 复选框,单击 Ok 键关闭该对话框。 (16)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对话框, 在第 1 个下拉列表中选择 Lines, 在第 2 个下拉列表中选择 By Num/pick, 在第 3 单选框中选择 From Full,单击 Ok 按钮,出现 Select lines 菜单,选择 编号为 L18,L19,L20,L21 的线,单击 Ok 键关闭该菜单。 (17)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对话框, 在第 1 个下拉列表中选择 Nodes, 在第 2 个下拉列表中选择 Attached to, 在第 3 单选框中选择 Lines all, 在第 4 单选框中选择 From Full,单击 Ok 键关 闭该菜单。 (18) 选择 Main Menu/Solution/Define Nodes/Apply/Thermal/Convection/On Nodes 命令, 出现 Apply CONV on Nodes 菜单,单击 Pick All 键,出现 Apply CONV on Nodes 对话框, VALI Film coefficient 输入框中输入 65, VAL2I Bulk temperature 在 在 输入框中输入 25,如图 2.11 所示,单击 Ok 键关闭该对话框。

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图 2.11 施加对流载荷对话框

(19)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。 (20) 选择 Main Menu/Solution/Solve/Current LS 命令出现/STATUS Command 对话框和 Solve Current Load Step 对话框,关闭 STATUS Command 对话框,单 击 Solve Current Load Step 对话框上的 Ok 键,ANSYS 开始求解计算。求解结 束后将出现 Note 对话框,单击其上的 Close 键关闭该对话框。 ( 21 ) 选 择 Main Menu/Solution/load step Opts/Time-Frequenc/Time Integration/Amplitude Decay 命令,出现 Time Integration Controls 对话框, 将 TIMINT 选项设置为 On,其余采用默认设置,单击 Ok 键关闭该对话框。 (22)选择 Main Menu/Solution/Analysis Type/Sol’n Controls 命令,出 现 Solution Controls 对话框,单击 Basic 标签,参照图 2.12 进行设置,单击 其上的 Transient 标签,参照图 2.13 进行设置,单击 Ok 键关闭该对话框。 (23)选择 Main Menu/Solution/Define Loads/Delete/Thermal/Temperature/On Nodes 命 令,出现 Delete TEMP on N 菜单,单击 Pick All 按钮,出现 Delete Node Constraints 对话框,在下拉列表中选择 TEMP,单击 Ok 键关闭该对话框。 (24) 选择 Main Menu/Solution/Solve/Current LS 命令出现/STATUS Command 对话框和 Solve Current Load Step 对话框,关闭 STATUS Command 对话框,单 击 Solve Current Load Step 对话框上的 Ok 键,ANSYS 开始求解计算。求解结 束后将出现 Note 对话框,单击其上的 Close 键关闭该对话框。

2.2.5 后处理
(1)选择 Main Menu/General Postproc/Read Results/Last Set 命令。 (2)选择 Utility Menu/PlotCtrls/Window Controls/Window Options 命令,

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图 2.12 求解控制基本选项设置对话框

图 2.13 求解控制瞬态选行设置对话框

出现 Window Options 对话框, INFO Display of legend 下拉列表中选择 Legend 在 ON,其余选项均采用默认设置,单击 Ok 键关闭该对话框。 (3)选择 Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu 命令, 出现 Contour Nodal Solusion Data 对话框, 选择 Nodal solusion/DOF solusion/temperature,单击 Ok 键,ANSYS 显示窗口将显示铸件与金属型内部温 度场分布等值线图。 (4)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。 (5)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对 话框,在第 1 个下拉列表中选择 Elements,在第 2 个下拉列表中选择 By

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Attributes,在第 3 单选框中选择 Material num,在输入框中输入 1,单击 Ok 按 钮。 (6)选择 Utility Menu/Select/Entities 命令,出现 Select Entities 对 话框,在第 1 个下拉列表中选择 Nodes,在第 2 个下拉列表中选择 Attached to, 在第 3 单选框中选择 Elements,单击 Ok 按钮。 (7)选择 Main Menu/General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu 命令, 出现 Contour Nodal Solusion Data 对话框, 选择 Nodal solusion/DOF solusion/temperature,单击 Ok 键,ANSYS 显示窗口将显示金属型温度场分布等 值线图。 (8)选择 Utility Menu/Select/Everything 命令。 (9)选择 Utility Menu/PlotCtrls/Window Controls/Window Options 命令, 出现 Window Options 对话框, INFO Display of legend 下拉列表中选择 Legend 在 OFF,其余选项均采用默认设置,单击 Ok 键关闭该对话框。 (10) 选 择 Utility Menu/Style/Graphs/Modify Axes 命 令 , 出 现 Axes Modifications for Graph Plots 对话框,在[/AXLAB] X-axis label 输入框中 输入 time,(sec),在在[/AXLAB] Y-axis label 输入框中输入 temperature,在 [/GTHK] Thickness of axes 下拉列表中输入 Triple,单击 Ok 键关闭该对话框。 (11)选择 Utility Menu/Style/Graphs/Modify Curves 命令,出现 Curve Modification for Graph Plots 对话框,在[/GTHK] Thickness of curves 下拉 列表中选择 Triple,单击 Ok 键关闭该对话框。 (12)选择 Utility Menu/PlotCtrls/Style/Colors/Graph Colors 命令,出 现 Graph Colors 对话框,在 CURVE Graph curve number1 下拉列表框中选择黄 色,单击 Ok 键关闭该对话框。 (13)选择 Utility Menu/WorkPlane/Align WP with/Global Cartisian 命 令。 (14)选择 Utility Menu/Plot/Replot 命令。 (15)选择选 择 Utility Menu/PlotCtrls/Number,弹出 Plot Numbering Controls 对话框,选择 Keypoint Number 复选框。单击 Ok 键关闭该对话框。 (16)选择 Main Menu/TimeHist Postpro/Define Variables 命令,出现 Defined Time-History Variables 对话框(若出现 Time History Variables 对 话框,可关闭该对话框) , (17)单击其上的 Add 按钮,出现 Add Time History Variables 对话框,选 择 Nodal DOF result,单击其上的 Ok 键,出现 Define Nodal Data 菜单,用鼠 标拾取编号为 20(G 点)的点,单击 Ok 键,出现 Define Nodal Data 对话框,

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采用其默认设置,单击 Ok 键关闭该对话框,重复以上操作,分别拾取编号为 3 (A 点) ,10(C 点) ,11(D 点) ,8(E 点)的点。 (18)选择选择 Utility Menu/Plot/Areas 命令。 (19)选择 Main Menu/TimeHist Postpro/Define Variables 命令,出现 Defined Time-History Variables 对话框,单击其上的 Add 按钮,出现 Add Time History Variables 对话框,选择 Nodal DOF result,单击其上的 Ok 键,出现 Define Nodal Data 菜单,用鼠标拾取 B 点(注:由于是在面上拾取网格上的点, 所以 B 点和其后的 F,H 点都是一个大概位置,不是非常精确,但并不影响对铸件 内部温度随时间变化关系的研究),单击 Ok 键,出现 Define Nodal Data 对话框, 采用其默认设置,单击 Ok 键关闭该对话框,重复以上操作,分别拾取 F,H 点。 Defined Time-History Variables 对话框上的输入结果如图 2.14 所示。

图 2-14 参量设置对话框

(20)选择 Main Menu/TimeHist Postpro/Graph Variables 命令,出现 Graph Time-History Variables 对话框,在框中输入 2,单击 Ok 键,ANSYS 显示 窗口将显示 G 点温度随时间变化关系图,如下图所示,重复以上操作,分别在输 入框中输入 3,4,5,6,7,8,9,ANSYS 显示窗口将显示 A,C,D,E,B,F,H 各点 温度随时间变化关系图[14]。

3 数值模拟结果与讨论
3.1 铸造温度场的分布

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图 3.1 25 秒时铸件与金属型内部温度场分布等值线图

图 3.1 描述的是熔融液浇注进铸型 25 秒时铸件与金属型内部温度场分布。 从图中可以看出,由内到外依次为红色、橙色、黄色、淡黄色、青色、浅绿色、 绿色、浅蓝色、蓝色,并呈梯形云图分布。其中红色代表的温度范围是 1516-1670℃,温度最高,蓝色代表的温度范围是 285-439℃,温度最低,其他 各色依次内到外温度逐渐降低。 浇铸初期,熔融液刚刚浇注进金属型中,温度扩散不太明显,其中芯部温度 最高,为初始浇注温度 1670℃,金属型温度基本变化不太明显,在金属型初始 的预热温度 300℃左右。从铸件内部到金属型之间形成了呈梯度分布的温度场, 与金属型接触的熔融液外层温度降低,而金属型的温度升高,说明了熔融液和金 属型之间发生了热传导。在金属型左侧,可以看到梯度温度场已扩散到金属型表 面,说明来自熔融液的热量通过热传导已经传递到了金属型的表面,金属型表面 与大气接触,其上的热量一部分以对流传热的形式,一部分以热辐射的形式传递 到了周围的大气中。

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图 3.2 600 秒时铸件与金属型内部温度场分布等值线图

从图 3.2 可以看出,在 600 秒时,温度场的分布情况相对于图 3.1 有了明显 的变化。在热传导的作用下,来自熔融液的热量继续通过金属型向外传递,温度 场呈椭圆形梯度分布。由内到外温度逐渐减低。 这时最高温度出现在带轮的两空心圆柱相连部分以及外圆柱的中心部分, 即 图中的红色部分,温度在 1002-1081℃之间。而最外层金属型温度也不再是以前 的预热温度,而是因金属型的壁厚不同而呈现出不同的温度,但是由于热传导的 作用,这些温度都已普遍比初始的预热温度高。金属型右侧型壁相对较薄,蓄热 能力相对较低,温度也相对较高。又因为来自两空心圆柱相连部分的热量较多, 导致金属型右外壁中心部分温度相对较高, 并向上下方向依次递减, 呈梯度分布。 而在左侧, 是插入内空心圆柱的金属芯, 由于其厚度较大, 蓄热能力也相对较大, 温度较左侧高, 但也从中间到上下方向递减, 呈梯度分布。 在整个金属型外表面, 热量都以辐射传热和对流传热的方式向周围的大气传播。

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图 3.3 铸件和金属型上各点的位置分布图

(a) A 点前 600s 温度随时间变化曲线

(b) B 点前 600s 温度随时间变化曲线

(c) C 点前 600s 温度随时间变化曲线

(d) D 点前 600s 温度随时间变化曲线

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(e) E 点前 600s 温度随时间变化曲线

(f) F 点前 600s 温度随时间变化曲线

(g) G 点前 600s 温度随时间变化曲线

(h) H 点前 600s 温度随时间变化曲线

图 3.4 铸件和金属型上各点的温度随时间变化关系图

图 3.4(a)是 A 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,A 点位于金属型内 型腔上,与熔融液直接接触,金属型被预热到 300℃,而熔融液的初始温度为 1670℃,由于热能从高温向低温传递,可以预见,A 点的温度会升高。从图中也 可以看出,在最初的 100s 内,A 点的温度从最初的 300℃上升到 510℃附近,随 后开始平缓地下降,说明在最初的 100s 内,A 点从熔融液得到的热量大于它向 金属型模具外表传递的热量,在 100s 附近达到平衡,随后 A 点向模具外表传递 的热量占优,A 点的温度也开始缓慢的下降。 图 3.4(b)是 B 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,B 点位于铸件内空心 圆柱的中心,刚开始 B 点是温度为 1670℃的熔融液,随着 B 点附近的熔融液不 断向金属型传递热量,B 点与周围的液体出现温差,其温度开始降低,但由于在 开始的 160s 左右时间里,B 点周围的液体与其温差不大,所以 B 点的温度下降 缓慢,到了 160s 以后,随着 B 点周围的液体开始凝固,与 B 点的温差加大,所 以其温度的下降速度也开始加快,到了 600s 时,B 点的温度已经下降到了 950℃ 左右。

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图 3.4(c)是 C 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,C 点的情况与 A 点 类似,也是处于模具内腔上,温度先迅速升高后开始缓慢下降,所不同的是到达 的最高点温度和所用的时间不同,这是由于不同的金属型壁厚造成的,C 点的金 属壁更厚,其来自熔融液的热量传递到外表的时间更长,所以需要更多的时间使 由金属型传递到外表的热量大于其来自熔融液的热量。由于热量不能迅速传递, 也使得点 C 积蓄了更多的热量从而使它的温度升高得更高。 图 3.4(d)是 D 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,D 点与 C 点的情况 类似,这里就不过多地叙述了。 图 3.4 (e) E 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,E 点与 A 点有类似的 是 地方,在开始的 50s 温度迅速升高,其后开始缓慢下降。所不同的是到了 160s 以后,温度又开始缓慢地回升,这是因为来自内空心圆柱上半部分熔融液的热量 传递到这里,再加上来自 E 点附近熔融液的热量,使得 E 点得到的热量重新大 于其向金属型传出的热量,所以温度开始缓慢上升,但可以预见,随着时间的推 移,熔融液的凝固和冷却,温差的缩小,来自内空心圆柱上半部分的热量会逐渐 减弱,E 点的温度又会重新开始下降。 图 3.4(f)是 F 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,F 点的情况与 B 点的 类似,区别是 B 点在前 160s 时温度的下降速率慢于 F 点,在 160s 之后温度的下 降速率快于 F 点,在 600s 时达到的最低温度也不一样,B 点温度更低,其原因 在于 B 点处相领金属芯,其厚度比 F 点处的型壁更厚,由于 F 点型壁更薄,其 热量更快地通过金属型传递到外表,所以在前 160s 其温度降低速率大于 B 点, 但在 160s 以后,因 F 点处的型壁较薄,其蓄热能力不如 B 点处,此时虽然两处 外表的温度升高,但不显著,所以因对流和辐射方式向外周围介质的放热增加不 多,型壁的蓄热能力的优势就体现了出来,导致之后 B 点处的温度下降速率大 于 F 点且最终达到了更低的温度。说明型壁减薄,会引起蓄热能力的下降,此时 虽然来自熔液的热量可以迅速传递到型壁外表面, 但随着时间的推移, 温差减小, 外表面温度升高并不显著,所以因对流和辐射的放热不多,最终导致两点的凝固 速度不同。 图 3.4 (g) G 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,G 点位于模具的外边 是 缘,从图中可以看出,前 40sG 点的温度下降到 280℃附近,随后开始上升,这 是因为在前 40s,模具初始被预热到 300℃,与周围环境温度(25℃)存在温差, 热量会以对流传热和辐射传热的方式向外传播, 而来自内部熔融液通过热传导带 来的热量不足以补偿损失,使得 G 点的温度下降。在 40s 之后,来自内部熔融液 通过热传导带来的热量大于其向外界对流和辐射损失的热量, 使得其温度开始上 升。

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图 3.4 (h) H 点在前 600s 温度随时间变化关系曲线,H 点离内部熔融液更 是 近, 使得来自内部熔融液通过热传导带来的热量大于其向外界对流和辐射损失的 热量,所以其温度逐渐升高,但随着时间的推移,温度逐渐升高,与内部的温差 越来越小,使得传导来的热量不足以补偿向外辐射和对流的热量损失,其温度也 开始缓慢下降。 从各点的温度变化曲线可以看出,熔融液注入铸型后,随即发生熔融液的冷 却、凝固和金属型受热并向外界传热的过程。当熔融液注入金属型后,型壁温度 较低,与型壁接触的很薄一层熔液产生强烈的过冷,以型壁作为非均匀形核的基 底,立刻形成大量的晶核,这些晶核迅速长大至互相接触,形成细小的,方向杂 乱的等轴细晶粒区。 随着等轴细晶粒区的形成,型壁被熔液加热而不断升温,使剩余液体的冷却 变慢,并且由于结晶时释放潜热,故细晶粒区前沿液体的过冷度减小,形核变的 困难,只有细晶粒区中现有的晶体向液体中生长,形成柱状晶区。 柱状晶生长到一定程度,由于前沿液体远离型壁,散热困难,冷速变慢,而 熔液中的温度差随之减小,这将阻止柱状晶的快速生长,当整个熔液温度降低到 熔点以下时,熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大,形成中心等轴晶区。 随着熔融液凝固过程的完成,铸件形成,整个铸件通过金属型向外界传热, 其整体温度也开始缓慢下降[15]。

3.2 金属型材料对铸造温度场的影响
上述温度场分布的讨论是选用最常见的灰口铸铁作为金属型, 为了考查金属 型材料对铸造温度场的影响,本文还选用了铸工业纯铜作为金属型,并用 ANSYS 软件对其进行了温度场模拟,为了达到对比的效果,仍以带轮的铸造为例,其实 验过程与上类似,这里就不再叙述了,最后所得的温度场分布如下图所示。

(a) 采用纯铜金属型 600s 时温度场分布

(b) 采用铸铁金属型 600s 时温度场分布

图 3.5 采用不同金属型材料铸造带轮在 600s 时的温度场分布

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从图 3.5(a)可以看出,在右下部分,由内到外依次为红色、橙色、黄色、 并呈块状区域性分布。在右下部分以上,依次为淡黄色、青色、浅绿色、绿色、 浅蓝色、蓝色,并大致呈条状分布。其中红色代表的温度范围是 799-820℃,温 度最高,蓝色代表的温度范围是 634-655℃,温度最低,其他各色依次温度依次 逐渐降低。图 3.5(b)在前面已经作了叙述,这里就不再重复了。 图 3.5(a)采用的是纯铜金属型,而图 3.5(b)采用的是铸铁金属型,两 者最大的区别是导热系数不同,纯铜的导热系数相对较大,在 300℃为 374.5W/ m·℃,并随温度的升高而减小,铸铁的导热系数相对较小,在 300℃为 46.5 W/m·℃,并随温度的升高而减小。两者的热容量也不相同,铸铁相对较大, 为 461 J/kg·℃,纯铜相对较小,为 385 J/kg·℃。由于导热系数相差较大, 使得它成为影响二者温度场分布的主要因数。 从图中可以看出,当熔融液浇注到金属型后,经过相同的时间,二者的温度 场存在着明显的区别。对于纯铜金属型,由于其导热系数大,经过相同时间内部 铸件最高处温度下降得更底,为 800℃左右,而内外的温差也从最初的 1370℃下 降到 186℃。对于铸铁金属型,由于其导热系数较小,传热能力也相对较小,经 过相同的时间内部铸件最高处温度下降到 1002-1081℃之间,而内外温差也只从 最初的 1370℃下降到 708℃。可见不同的金属型,由于导热系数的不同,对温度 场的影响是明显的。 为了进一步考察不同金属型对浇铸后相同时间内温度场的影响, 本文在铸件 和金属型上选取三个相同的点对其温度随时间变化关系曲线展开讨论。 各点的位 置如前图 3.3 所示。

(a) 纯铜金属型 C 点前 600s 温度变化曲线

(b) 铸铁金属型 C 点前 600s 温度变化曲线

图 3.6 不同金属型铸造带轮时在前 600s 内点的温度时间变化曲线

C 点的位置在金属型内腔的型壁上。 对于图 3.6 a) 在前 120s 温度从金属型的预热温度 300℃迅速上升到 930℃ ( , 左右,之后开始缓慢下降。可见在前 120s,来自熔融液的热量远大于 C 点通过

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金属型向外传递的热量,导致 C 点的温度急剧升高,在 120s 附近达到平衡,随 后开始平缓地下降,说明在 120s 之后,随着 C 点周围熔融液的冷却和凝固,温 度降低,温差变小,使得来自 C 点的热量小于 C 点向金属型传递的热量,其温度 开始缓慢下降。对于图 3.6(b),之间作了描述,这里不再重复。二者在 C 点 的传热方式都是热传导。 通过对图 3.6(a)和图 3-6(b)的比较可以发现,在熔融液温度和壁厚相同的 情况下, 由于不同金属型导热系数的不同, 使得二者出现两点明显的不同, 其一, C 点达到的最高温度不同,铸铁金属型温度上升到了 1260℃附近,这是因为铸铁 的导热系数相对较小,使得来自 C 点周围的热量向外传递的能力不及纯铜,从而 导致更多的热量聚集,也使得 C 点上升到了更高的温度。其二,在达到最高温度 后二者温度下降的速率和在 600s 时的最低温度不同,纯铜金属型下降的速率较 慢,这是因为纯铜的导热系数大,能使热量迅速地通过金属型向外传递,温差迅 速缩小,温度下降速率变慢,但在 600s 时,其温度下降到更低,为 780℃左右, 铸铁只下降到 1000℃附近。

(a) 纯铜金属型 F 点前 600s 温度变化曲线 (b) 铸铁金属型 F 点前 600s 温度变化曲线 图 3.7 不同金属型铸造带轮时在前 600s 内的温度时间变化曲线

F 点的位置在外空心圆柱部分熔融液的中心。 图 3.7(a)描述了初始温度为 1670℃的熔融液在经过 600s 之后温度下降到 800℃,其速率在前 240s 时较快,温度也下降到 1100℃,之后下降速率放慢, 最终下降到了 800℃。 3-7 图 (b) 描述了初始温度为 1670℃的熔融液在经过 600s 之后温度下降到 1050℃附近,其速率大致相同。就其原因,因前者的导热系数 更大,在初始阶段,通过型壁向外界传热的优势明显地表现出来,但随着铸件和 金属型温差的逐渐缩小,其温度的下降速率也开始放慢,但最终下降到了更低的 温度。

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(a) 纯铜金属型 G 点前 600s 温度变化曲线(b) 铸铁金属型 G 点前 600s 温度变化曲线 图 3.8 不同金属型铸造带轮时在前 600s 内 G 点的温度时间变化曲线

G 点的位置在模具外缘的左上角。 从二者的比较可以看出两点不同,第一,纯铜金属型 G 点温度是从一开始 就迅速升高,而铸铁金属型 G 点的温度是先下降而后升高,其原因在于前者的 导热系数大,来自熔融液的热量迅速地传递到表面且大于 G 点通过辐射和对流 向外界损失的热量。而后者由于导热系数相对较小,使得在前期来自熔融液的热 量不足以补偿其向外界损失的热量而导致其温度下降;第二,二者温度升高的速 率和最终的温度不同,由于导热系数的影响,前者前期升高较快,其后较慢,这 是金属型和其内温差缩小所致,后者温度升高的速率较前者小,其最终升高到 470℃,而前者升高到接近 540℃,表明内外的温差进一步缩小。 从以上的分析可以看出,由于金属型的材料不同,导热系数和其他性能也不 相同,在相同的浇注时间内产生了不同的温度场,导热系数愈大,最终的型壁内 外温度差愈小,使得型壁内的热应力愈小,铸件的裂纹倾向也愈小。但导热系数 也不是越大越好,冷却速度快,铸件形成的组织结构更好,但是更容易产生开裂 和变形,因为冷却速度快,熔融液各个部分冷却速度很难一致,使得铸件各部位 收缩不一,从而极易产生热应力[16]。 虽然铜及其合金的导热系数和各项性能指标都很好,但考虑到价格因数,实 际在金属型上很少被采用[17]。

3.3 金属型工作温度对铸造温度场的影响
模拟仍以带轮铸造为例, 选取 150℃和 300℃两种金属型预热温度, 观察 600s 后金属型的温度场分布情况。300℃时的温度场模拟在前面已经完成,150℃的金 属型温度模拟过程和前类似,只是边界条件不同,这里就不过多地叙述了,模拟 结果如下图所示

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(a) 150℃预热温度 600s 后温度场分布

(b) 300℃预热温度 600s 后温度场分布

图 3.9 采用不同金属型预热温度铸造带轮 600s 时的温度场分布

从图中可以看出,温度场由内到外依次都为红色、橙色、黄色、淡黄色、青 色、浅绿色、绿色、浅蓝色、蓝色,并呈梯形云图分布。但两图中各色所代表的 温度范围不同,对于左图,红色代表的温度范围是 883.5-960℃,温度最高,蓝 色代表的温度范围是 270-347℃, 温度最低, 其他各色依次内到外温度逐渐降低。 对 于 右 图 , 红 色 代 表 的 温 度 范 围 为 970-1046 ℃ , 蓝 色 代 表 的 温 度 范 围 是 373-447℃,其他各色依次内到外温度逐渐降低。 从图中我们不难发现,两个金属型的温度变化范围不同,对于图 3-9(a), 温度最高在 1210℃附近,温度在 150-1210℃内变化,对于图 3-9(b),最高温度 在 1260℃附近,其温度在 300-1260℃内变化,可见金属型的预热温度愈低,其 温度变化愈剧烈,型壁内由内到外的温差愈大,因而热应力愈大,愈容易产生裂 纹。根据铸造缺陷的知识我们也可以预见,金属型的预热温度愈低,浇入的液态 金属流动性的丧失得更快,从而使铸件更容易产生冷隔,浇不足,裂纹及气孔等 缺陷[18]。 为了进一步分析金属型的温度变化,选取金属型上的 C 点作对比分析,C 点 的位置如前面的图 3.3,之所以选择 C 点, 是因为从上面的图中我们不难发现 600s 时,C 点是温度最高的点之一,可见其温度变化剧烈。

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(a) 150℃金属型上 C 点前 600s 温度变化曲线(b) 150℃金属型上 C 点在前 600s 温度变化曲线 图 3.10 不同金属型预热温度铸造带轮在 600s 时 C 点的温度场分布

C 点的位置位于金属型内腔的型壁上。 从图中我们可以看出,C 点的温度时间变化曲线形状类似,但在 600s 末, 图 3.10(a)的 C 点的温度较图 3.10(b)C 点的温度低,可见在相同的时间内,金 属型的预热温度越高,其铸件要冷却到相同的温度所经历的时间越长,这会降低 劳动生产率,根据铸造缺陷的知识我们也可以预见,金属型的温度愈高,铸件的 结晶组织会变粗,更容易产生针孔和缩松缺陷。 通过上面的分析我们知道, 金属型工作温度会影响金属型上各点的温度变化 情况,过高与过低的预热温度都对金属型的保护和铸件的质量不利[19]。 事实上金属型的工作温度取决于浇注合金的种类和牌号,以及铸件的结构, 大小和壁厚,也和合金的浇注温度有关,具体温度范围一般通过试验来确定[20]。

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4 结论与展望
4.1 实验结论
本实验采用 ANSYS 软件对带轮的金属型铸造过程中的温度场变化进行模拟, 并改变金属型材料和金属型的预热温度进行模拟, 得出铸造过程中铸件冷却的温 度场分布图和关键点的温度随时间变化关系图,对实验结果进行了讨论,分析了 铸件在凝固过程中可能产生的缺陷。通过对实验结果的讨论与分析,主要得出以 下结论: (1) 通过对金属型铸造过程中不同时间的温度场模拟与分析,证明浇注过 程是熔融液以热传导方式向金属型传热从而发生凝固和冷却的过程, 同时也是金 属型受热并以对流和辐射形式向外界传热的过程。 (2) 通过对金属型铸造不同壁厚点的温度时间变化曲线分析表明,在一定 范围内减小壁厚可降低铸件的凝固速度,而增加壁厚可提高铸件的凝固速度。 (3) 通过对不同金属型的材料铸造过程温度场模拟与分析,发现在一定的 范围内,导热系数愈大,经过相同的时间,型壁内外温差愈小,使得型壁内的热 应力愈小,铸件的裂纹倾向也愈小,形成的铸件组织结构就更好, (4)通过对不同金属型预热温度铸造过程温度场模拟与分析,发现预热温度 愈低,金属型温度变化愈剧烈,因而热应力愈大,愈容易产生裂纹。同时浇入的 液态金属流动性也丧失得更快,从而使铸件更容易产生冷隔,浇不足,裂纹及气 孔等缺陷。 (5)通过对不同金属型预热温度铸造过程中特殊点温度时间变化曲线的分 析, 说明金属型预热温度太高会降低劳动生产率。 而且会使铸件的结晶组织变粗, 更容易产生针孔和缩松等缺陷。

4.2 展望
由于水平有限,无法创建出三维模具,所以只对铸造温度场变化进行了二维 模拟。若能进一步精通 ANSYS 软件可解决这一问题。 在进行二维模拟时,为了简化问题,只对左右对称的右半边进行了模拟,最 后才发现这样会导致中间插入的型芯被分开, 致使在左边错误地施加了大气的边 界条件,希望以后的思维更加严密。 带轮是铸钢件,只能采用砂芯,因为金属芯在很高的浇注温度下会发生很大 的膨胀易使铸件开裂,拔芯也很困难,且高温熔液易与金属芯发生熔焊现象。本 文为了模拟方便,型芯采用了和金属型相同的材料,若时间允许,可学会施加更 加复杂的边界条件,得到更真实的温度场分布图

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壁厚的确定要考虑两个因素,一是型体的结构强度和刚度,二是型壁对铸件 的冷却条件。本文实验的最小处壁厚是根据经验以分型面轮廓尺寸确定,带轮铸 造的分型面轮廓尺寸大于 500mm,所以选用 30mm 的壁厚,但为了简化问题,以 矩形框来表示模具,导致各处壁厚相差较大,这与实际情况不符,若能进一步查 阅资料,掌握铸件各处的精确壁厚,则能得出更接近实际生产的温度场分布。 在实际的金属型铸造过程中,型腔的内壁都有涂料层或覆沙层,涂料层和覆 沙层会对金属型的导热和铸件的冷却产生重要影响,本实验为了简化问题,忽略 了这一影响, 目前本文作者还未找到通过 ANSYS 软件解决这一问题的有效途径。

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致谢
本文是在金永中老师的悉心指导和督促下完成的,能遇见金老师是我的荣 幸,金老师不仅治学严谨,工作认真负责,而且教书与育人并重,他的工作和生 活态度已然影响着我,这种影响必将持续下去,乃至我的一生!值此论文完成之 际,谨向恩师致以我最崇高的敬意和最诚挚的感谢。 在实验过程中,另一位平易近人,和蔼可亲的刘东亮老师也给予了我极大的 帮助,在此表示衷心的感谢。还要感谢室友曹然伟等同学和同窗好友周衍虎同学 在做论文过程中给予的帮助和监督。

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参考文献
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