凝固过程温度场.

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铸件的凝固

C4 铸件的凝固与补缩本章内容：铸件的凝固过程、凝固特性对铸件质量的影响，缩孔、缩松的形成机理、防止措施以及冒口和冷铁的应用。

§1 铸件的凝固一铸件的凝固方式1 凝固区域除纯金属和共晶合金外，铸件凝固过程中断面有三区：固相区＋凝固区＋液相区，见下图。

图4-1铸件某一瞬间凝固区域温度场T：指铸件断面上某瞬时的温度分布曲线固相等温面：Ⅰ－Ⅰ’液相等温面：Ⅱ－Ⅱ’固相区：合金已凝固成固相的区域；液相区：尚未开始凝固的区域；凝固区：凝固和液固相并存的区域。

2 凝固方式根据铸件凝固时其断面上凝固区域的大小，凝固方式分三种：逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）、中间凝固。

铸件断面凝固区域的宽度δ由合金的结晶温度范围⊿tc和铸件断面上的温度梯度δt决定的。

当温度梯度相同时，取决于合金的结晶温度范围；当合金成分一定时，则取决于温度梯度。

温度梯度较大时，可使凝固区域变窄。

1）逐层凝固⊿tc=0,δ=0恒温下结晶的合金，在凝固过程中其铸件断面上凝固区宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清楚分开。

随温度下降，凝固层逐渐加厚直至铸件凝固结束。

包括纯金属、共晶合金、结晶温度范围很小或断面上温度梯度很大的情况。

逐层凝固糊状凝固中间凝固左：纯金属或共晶合金左：结晶温度范围很宽左：结晶温度范围较窄右：窄结晶温度范围右：温度场平坦右：温度梯度较大凝固特点：易形成缩孔、热裂倾向小、较好的流动能力。

（这类合金的补缩性良好，可以采取工艺措施，如设置冒口，来消除缩孔）。

合金种类：纯金属、共晶合金、低碳钢、高合金钢、铝青铜、窄结晶温度范围黄铜等。

2）糊状凝固铸件凝固过程中，铸件断面上的凝固区域很宽，在某一段时间内，凝固区域甚至会贯穿于铸件的整个断面，铸件表面尚未出现固相区，铸件中心已开始结晶，出现了固相。

凝固特点：补缩性差（易形成缩松）、热裂倾向大、流动能力差。

合金种类：高碳钢、球铁、锡青铜、铝镁合金及某些结晶温度范围宽的黄铜。

3）中间凝固铸件断面上凝固区域宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究
大钢锭的凝固工艺数值模拟研究是指使用数值模拟方法对大钢锭凝固过程进行研究和优化。

凝固是钢坯生产过程中关键的环节，直接影响其质量和性能。

通过数值模拟可以模拟凝固过程中的温度场、相变、应力和变形等物理现象，从而预测和优化大钢锭的凝固结构和性能。

具体而言，大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以包括以下方面：
1. 温度场模拟：通过数值方法计算大钢锭凝固过程中的温度分布，包括凝固壳层和内部的温度变化。

这可以帮助预测凝固过程中的热流动和热扩散等现象。

2. 相变模拟：钢的凝固过程涉及到相变，包括凝固前的熔池区域和凝固后的固相区域。

数值模拟可以模拟相变过程中的组分分布、晶体生长和偏析等现象。

3. 应力和变形模拟：凝固过程中会产生应力和变形，这对大钢锭的质量和性能具有重要影响。

通过数值模拟可以模拟应力场和变形场，预测和优化凝固过程中的应力集中和变形破碎等问题。

4. 凝固结构分析：通过数值模拟可以分析大钢锭的凝固结构和组织特征，包括晶粒形貌、晶粒尺寸和晶界取向等。

这可以提供指导大钢锭的后续加工和热处理的依据。

大钢锭的凝固工艺数值模拟研究可以通过有限元方法、有限差分方法等数值方法进行。

通过合理的模拟参数和边界条件，可以精确模拟大钢锭的凝固过程，为生产提供科学依据和优化策略。

铸件凝固过程温度场分析计算

毕业设计铸件凝固过程温度场分析计算姓名： XX学号： XX班级： 10自动化（数控）2专业：自动化（数控）所在系：自动化工程系指导教师： XXX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 andCalculationABSTRACTCasting 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)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。

钢锭凝固过程温度场数值模拟

钢可采用向浇注后冒口加入２００ｍｍ厚发热剂增强钢锭凝固末期钢液补缩能力，脱模时间为浇注后１２．５ｈ。
关键词：钢锭；热物性参数；发热剂；温度场；数值模拟中图分类号：ＴＧ２４４＋．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ４９７７（２０１３）０５ — ０４１０ — ０６
过程微观偏析模型预测钢锭凝固过程相的变化规律，并根据钢锭凝固过程钢热物性参数与相组成之间的关系式来确定。随后采用红外测温试验验证了钢锭凝固传热数学模型，并模拟了钢锭凝固过程温度场变化规律以及不同浇注温
度和冒口保温条件对钢锭凝固过程的影响。结果表明：钢锭凝固过程由钢锭底部向冒口逐渐凝固，随着钢锭冒口发热剂的加入，钢锭凝固末期，最后凝固区域逐渐从无发热剂情况时位于钢锭本体向冒口区域移动。３８ｔＮ锭４１２５Ｖ２
ｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｏｌｉｄｉｉｃｆａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄ
ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｏｌｉｄｉｉｆｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｓｏｔｆｗａｒｅＭＳＣ．Ｍａｒｃ．ａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｔｅｅｌｉｎｍｏｄｅｌｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｍｉｃｒｏｓｅｇｒｅｇａｃａｎｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｐｈａｓｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ

金属凝固理论第4章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动

3）金属的凝固温度
金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，致使铸件断面温度场出现较大的梯度。如有色金属与钢铁相比，其温度场较平坦。
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（2）铸型性质的影响 1）铸型的蓄热系数
铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大，铸件内的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大，能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度也就大。
向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。
2）铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。
向外凸出的部分，散出的热量被较大体积的铸型所吸收，铸件的冷速较大，如果铸件内凹的表面，则相反。
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三、铸件的凝固方式及影响因素
TL
TS
L
S+L S
第四章液态金属凝固过程中的传热、传质及液体流动
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第一节凝固过程中的传热
在材料成形过程中，液态金属的过热热量和凝固潜热主要是通过传导而释放的。
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一、凝固过程中的热传导及傅里叶方程
温度场基本概念: 稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数），其表达式为：
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T n
Tw Tf
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凝固过程中，热量传递有三种形式：传导、辐射、对流。
以热传导为主。热传导过程取决于温度的分布——温度场：温度
随空间和时间的变化。 T = f（x，y，z，t） Fourier热传导方程：

【材料成型原理--铸造】第4章液态金属凝固过程中的传热与传质

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• 2、模型建立
• 温度TL时，开始凝固： • 固度k相0C：0。百分数dfS；溶质浓
• 液相：溶质浓度几乎不变，为C0。 • 温度降到T*时，
• 固数f相S；：溶质浓度C*S；百分
•
液相：溶质浓数fL。
度
C*L；百
分
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• 当dfSf）S界，溶面这质处些浓固溶度相质增增将加加均d百C匀*L分扩，量散则为到：d整fS个时液，相排中出，溶使质剩量余为液（相C*（L-C1*S-） • （C*L-C*S）dfS=（1-fS）dC*L
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• （二）固相无扩散，液相只有有限扩散（无对流或搅拌）的溶质再分配
• 1、假设： • （1）合金单相凝固； • （2）固相无扩散（接近实际情况）； • （3）液相有限扩散（无对流、搅拌）； • （4）固液相线为直线，k0为常数； • （5）试样很长，单向放热，平面推进。
• 该两式为平衡凝固时溶质再分配的数学模型。
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CS
1
C0k0 f S (1 k0 )
CL
k0
C0 f L (1 k0 )
• 3、验证（1）开始凝固时 • 初始条件：fS0，fL1 • 则：CS=k0C0；CL=C0 （2）凝固结束时 • 初始条件：fS1，fL0 • 则：CS=C0；CL=C0/k0
凝固时间与凝固层厚度的平方成正比。
计算结果与实际接近。
适合大平板和结晶间隔小的铸件。
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• 3、“折算厚度”法则
R2 t
K2
R V1 为铸件折算厚度或铸件模数。
A1

铸件凝固过程温度场的数值模拟

松、热裂等可能性缺陷的分布提供一种有效科学的手段。说中央处理单元是模拟系统的核心不光指在这个过
３中央处理单元
从总体上讲前处理单拿来主义” 即使用成品软件，，而无需另行
开发。
中央处理单元是模拟系统的核心。在有限元（或有限差分）网格划分基础上，给出凝固过程中每个小单元（按
点处理）各个时刻温度，以文件形式存贮，并对缩孔、缩
实际上铸件是三维形状，其凝固过程中的传热也属
三维传热问题。因此要使铸件凝固过程数值模拟软件能
够实用化和有较高的精度，必须进行铸件凝固过程的三维传热计算。为实现这一目的，首先要解决铸件三维实体
造型问题。
目前实用的三维实体造型软件很多，如工作站上Ｉ — ｄａ系统、Ｇ系统、ｒＥ系统（ｅｓＵＰｏ／这些系统还能进行有限
状、模拟物体动态处理过程的技术。如几何模型用于后续
缩孔、缩松等宏观缺陷；为预测铸造应力、微观组织等提分析，必须把几何模型分解成有大量单元或元素组成的供基础数据；分析、评价，并通过控制凝固条件优化铸造集合体，其目的在于方便灵活地为其它程序模块提供相工艺；减少工艺准备失误率；缩短试制周期、降低试制成本。应的数据。网格划分主要有有限元网格及有限差分网格铸件凝固过程数值模拟开始于２０世纪６年代，ｏ丹两种方式比较而言前者处理精度高，但对硬件要求高，麦人Ｆｒｎ最早采用有限差分法进行铸件凝固过程的ｏｓｄｕ后者速度快，具体选用哪种方式需根据硬件情况而定。传热计算。而首次成功应用应属三年后两个美国专家对网格模型的实现若在工作站上可以采用Ｉｄａ、－ｅｓ汽轮机内缸体铸件进行的数值计算，其温度场的计算结ＰｏＥＡＳＳ等系统，ｒ、ＮＹ／在微机上一般需要白行开发一套果与实测值相当接近。他们的成功使研究者意识到用计划分系统。算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广阔的前景。由此开辟了铸件的凝固过程数值模拟的先河。数值模拟系统工作流程如图１所示，一般来讲我们把①②⑧称为前处理单元，是数值模拟的基础； ④称为中央处理单元，是数值模拟的核心； ⑤称为后处理单元下面将分别论述 ÷

柴油机缸体铸造凝固过程温度场仿真

铸件凝固过程温度场仿真计算分为几何建模、前处理、后处理及铸造工艺分析四个阶段。图１为铸件凝固过程温度场仿真计算流程简图，其中几何
建模及前处理的质量及处理方法对于仿真计算的效
率及精度有很大的影响，而后处理主要是仿真软件
图１铸件凝固过程温度场仿真计算流程简图
真计算结果，还需要有经验的铸造工艺师对数据进
学科，其计算分析包括了温度场、流场、应力场等
多方面的内容。铸件凝固过程数值模拟技术的出现，为提高和确保铸件质量开创了新的局面［１１。本文应用清华大学的Ｆ — ＴＲ软件对柴油机缸体零ＴＳＡ件铸件凝固过程温度场进行仿真计算。模拟铸件从
Ａｂｔａｔｉｕａｉｎｏｅｐｒ￣ｒｅｄｄｒ．ｙｉｄｒｂｏｋｃｓｉｇｓｌｉｉｇｉｏ－ｓｒｃ：Ｓｍｌｔｆｔｍｅａａｅｆｌｕｉｇｃｌｅｌｃａｔｏｉｆｎｓｃｎｏｉ￣ｎｎｄｙ
ｄｃｅｈａｙｕｉｇｓｆｗａｅＰｏＥｔｕｌｏｄｍｏｅｆｔａｔｎ，ｎｄｕｉｇｓｆ－ｕｔｄｉｔｅｗｙｂｓｎｏｔｒｒ／ｏｂｉｓｌｄｌｏｎｄｈｅｃｓｉｇａｓｎｏｔ
有限差分
工艺优化
Ｋｅｒｓｓｌｉｃｔｎｆｉｉｅｅｃｔｏｐｏｅｓｎｐｉｚｔｎｙｗｏｄ：ｏｉｆａｉ，ｉｔｄｆｒｎｅｍｅｈｄ，ｒｃｓｉｇｏｔｄｉｏｎｅｍｉａｉｏ
１前言

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A：垂直于导热方向的截面积[m2] 。
：导热系数（热导率）[W/mK]
一维无内热源单层平壁中
热传导（ thermal conduction ）
傅立叶定律(Fourier's Law)
傅里叶定律的文字表述：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。傅立叶定律是热传导的基础。它并不是由热力学第一定律导出的数学表达式，而是基于实验结果的归纳总结，是一个经验公式。同时，傅立叶定律是定义材料的一个关键物性，热导率的一个表达式。另外，如上所述，傅立叶定律是一个向量表达式。热流密度是垂直于等温面的，并且是沿着温度降低的方向。傅立叶定律适用于所有物质，不管它处于什么状态（固体、液体或者气体）。
热对流（ Heat convection ）
定义：由流体各质点间的相对位移而引起的热量转移方式称为热对流。
对流包括自然对流和强迫对流。自然对流是由于质点间的温度差或者密度差引起的浮力流，强迫对流是体系在外力（如机械力、电磁力等）
驱动下产生的质点的相对位移
热对流一般是发生在气体和液体中的，受热的气体或液体
传热学基础
热量传递的三个基本方式
热传导热对流热辐射 conduction convection radiation
热传导（ thermal conduction ）
定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，
依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象。 When molecules collide, energy is transferred from the more
凝固过程温度场相关
报告人：陆
皓
温度场
1、基本概念指某一瞬时物体内各点的温度分布状态。温度是标量，温度场是时间和空间的函数，也是标量场。在直角坐标系中：在柱坐标系中：在球坐标系中：
根据温度场表达式，可分析出导热过程是几维、稳态或非稳态的现象，温
度场是几维的、稳态的或非稳态的。例如表示导热过程是二维、稳态的导热现象，温度仅在x、y方向发生变化，但不随时间变化；表示导热过程是一维、非稳态的导热现象，温度仅在x方向随时间发生变化。
导热系数（Heat Conductivity）一体或液体会降下来替代刚
升上去的气或热的位置，然后受热后继续升上去，刚上去的丢失了热量后会降下来，这样反复循环，就是对流。就像平时烧水，先是下面的水受热，然后升上去，上面凉的水就会降下来然后受热。
热辐射（ thermal radiation ）定义：热辐射是由于物体内部原子振动而发出的一种电磁波的能量传递。一切自身温度高于0K的物体，都会从表面发射出辐
最大温度变化率为温度梯度(temperature
gradient)．用grad t表示。
温度梯度
温度梯度（temperature gradient）是等温线面法线
方向上的温度变化率。在温度场中，温度梯度表达了温度在空间上改变的大小程度，是一个矢量。方向指向温度增大的方向
热流的方向与温度梯度方向相反。
射能。热辐射的主体与受体是相对的，辐射能的传递是相互往
复发生的，一定时间后双方的辐射速度趋于等同，便出现暂时的热平衡。热辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的本领。热辐射虽然也是热传递
的一种方式，但它和热传导、对流不同。它能不依靠媒质把热量直接从一个系统
传给另一系统。热辐射以电磁辐射的形式发出能量，温度越高，辐射越强。辐射的波长分布情况也随温度而变，如温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，在500℃以至更高的温度时，则顺次发射可见光以至紫外辐射。热辐射是远距离传热的主要方式，如太阳的热量就是以热辐射的形式，经过宇宙空间再传给地球的。
基础：热力学第一定律和第二定律热力学第一定律：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响，或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。又称“熵增定律”，表明了在自然过程中，一个孤立系统的总混乱度（即“熵”）不会减小。热量可以自发地从温度高的物体向温度低的物体进行传递，如果没有能量转化的途径，热量始终是守恒的。
energetic(high temperature) molecules to the less energetic
(lower temperature) molecules. 物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生导热的特点： 1. 必须有温差
2. 物体直接接触
3. 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量
热传导（ thermal conduction ）
导热的基本定律：
1822年，法国数学家Fourier：上式称为傅立叶定律（导热基本定律），是一个一维稳态导热。其中： -：热量传递的方向与温度梯度方向相反。 Q：热流量，单位时间传递的热量。[W] q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量[W/ m2]
温度场
2、等温面与等温线
三维物体内同一时刻所有温度相同的点的集合称为等温面（isothermal surface）；一个平面与三维物体等温面相交所得的的曲线线条即为平面温度场中的等温线（isotherms）。
3、温度梯度
在具有连续温度场的物体内，过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上。称过点P的
铸造过程数值模拟三维实体造型铸造工艺设计前处理而数值计算就是以传热学为基础来进行的。数值计算是数值模拟技术的核心组成部分，前后处理均为数值计算服务
网格剖分数值计算结果显示
后处理
传热学基础
定义：传热学（heat transfer）是研究热量传递规律的科学，是研究由温差(推动力) 引起的热能传递规律的科学。