铸造模型的温度场有限元分析
第三讲 温度场的有限元分析
传热基本原理
• 上述偏微分方程式是传热学理论中的最 基本公式，适合于包括铸造、焊接、热 处理过程在内的所有热传导问题的数学 描述，但在对具体热场进行求解时，除 了上述偏微分方程外，还要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
传热基本原理
对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具体问 题给出导热体的初始条件与边界条件。
• 初始条件： 初始条件是指物体开始导热时（即 t
= 0 时）的瞬时温度分布。
• 边界条件： 边界条件是指导热体表面与周围介质
间的热交换情况。
传热基本原理
• 常见的边界条件有以下三类： 第一类边界条件： 给定物体表面温度随时间的变 Tw f (t ) 化关系 第二类边界条件： 给出通过物体表面的比热流随 时间的变化关系 T q x , y , z , t
• 2、二维稳态热传导方程及边界条件
T T (k x ) (k y ) Q 0 在 内 x x y y 在 1上 在 2上 T (T a T ) n
T ( x, y , t ) T (1 , t ) k
平面稳态温度场的有限元法
• • • 1、泛函与变分 函数 y=f(x) 求y 的极值，即求微分，由dy=0 可得。 泛函J=J [y(x)] 函数y(x)为自变量，J为函数y的函数，称J为y的 泛函，求泛函的极值，即求变分， 由 J 0 可得。 • 例：平面上AB两点，连接AB的曲线很多，要求一条曲线使重物 靠自重由A沿此曲线滑到B所需的时间最短，即求最速下降曲线。 • 显然，AB间直线路径最短，但重物运动的速度增长并不是最大， 即下滑的时间并非最短。 A x n 设AB间有n条曲线 yi ( x) i 1, 2,... ， 每条曲线对应一个时间 Ti i 1, 2,...n ， 即T是y(x)函数，即泛函，求变分的极值 则可得最速下降曲线 p B v y
大型铸造模具的有限元分析和设计
大型铸造模具的有限元分析和设计随着工业化的发展，铸造业成为各国经济的重要组成部分之一。
铸造业需要大量的铸造模具来生产各种各样的铸造件，而大型铸造模具的设计和分析是整个生产过程中至关重要的一步。
有限元分析技术是目前模具设计中常用的一种工具，可以在模具设计和制造的过程中提高设计和生产效率，减少质量问题及不必要的时间和成本。
因此，学习和掌握大型铸造模具的有限元分析技术是非常必要的。
1.大型铸造模具的设计大型铸造模具的设计是通过工艺要求、工作环境、待铸件形状等要素来进行的。
需要考虑到模具的寿命、结构强度和铸造件的质量，还要确保模具制造的各个环节符合安全生产的要求。
在设计铸造模具时，需要有一定的知识储备、经验和技术支持，才能够设计出高质量、高效率和安全稳定的铸造模具。
设计过程中，需要考虑到各个因素可能发生的影响，并进行评估，以确保安全可靠。
设计者需要结合实际情况进行改进，以便更好地适应不断发展的市场要求。
2.有限元分析技术在大型铸造模具设计中的作用有限元分析技术是一种常用的计算方法，可以在设计模具的过程中提高设计效率，减少生产成本和人力物力资源的浪费。
有限元分析技术可以在设计前进行模拟，减少因现场测试和分析导致的成本增加和时间延误。
设计者可以通过有限元分析预测模具制造过程中的各种状态，以更好地掌控模具施工的整个流程。
在铸造模具的有限元分析中，通过模拟分析来模仿模具在生产中的应力状态，以确定模具的强度是否满足生产要求。
有限元分析技术可以通过分析不同材料、结构和工艺条件来确定模具的最佳设计方案，避免了在一些不必要的试验中产生的浪费。
有限元分析技术可以通过较小的成本实现大量的模拟试验，提高了产品设计的效率和可靠性，找到满足生产需求的最优方案，并发现可能存在的制造缺陷和问题，提高模具的制造质量和生产效率。
3.大型铸造模具有限元分析技术的应用在大型铸造模具的有限元分析和设计中，一些重要的应用有以下几个方面：(1) 铸造模具的应力分析：在模具设计过程中，需要考虑到模具在铸造中的应力状态。
Ir坩埚铸造过程中温度场的有限元模拟
ＣＨＥＮ ｏ ｇ ＧＵＡＮ ｅｍｉ ｇ ＫＯＮＧ ｉｎ ｎ ＺＨＡＮＧ ｎ ｕ ， Ｓｎ ， Ｗ ｉ ｎ， Ｊａ ｗｅ ， Ｋｕ ｈ ａ ＤＥＮＧ ｇ ｏ Ｄｅ ｕ
（ ｉｏ Ｐａｉｕ Ｍ ｅａｓ ． ｄ ， ｎ ｎ ， ｎ ａ ５ ２ ， ｉａ） Ｓ ｎ — ｌｔ ｍ ｔｌ Ｌｔ．Ｋｕ ｍｉｇ Ｙｕ ｎ ｎ６ ０ ２１ Ｃｈｎ ｎ Ｃｏ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｔ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔｐａ ｅ ，ｔ ｅ ｉ ｉｅ ｅｅ ｎ ｍｅ ｏ ｓ ｕｓｄ ｏ ｃ ｌｕ ａｅ ｃ ｔ ｇ ｒｄｕ ｒ ｃｂｌ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｈ ｒ ｓ ｎ ｐ ｒ ｈ ｆ ｔ ｌｍｅ ｔ ｎ ｈ ｔ ｄ ｗａ ｅ ｔ ａｃ ｌｔ ａ ｉ ｉ ｉｍ ｃｕ ｉ ｅ ｓ ｎ ｉ
晶 Ｉ则 由于弹性 模 量很 大 ，硬 化率 高 ，且 杂 质对 Ｉ ｒ ｒ 的加 工硬化 性 能影 响较 大 ，导致 加 工较 困难 。熔模 铸 造 法工 序较 简单 、制 造 成本较 低 ，并 且铸 造 出的 Ｉ坩 埚 密度 大于前 面 ２种 方法 。但 由于 Ｉ坩 埚为 大 ｒ ｒ
ｔｍｐ ｒｔ ｒ ｅｄ ｏ ｈ ｅ ａ ｐｅ ． ｅ ｃ ｃ ｌｔｏ ｅ ｕ ｔ ｎ ｉａｅ ｔ ａ ｅｍ ｅ ｏ ｏ ｎｙ ｐ ｅ ｃｓ ｐ ｒｅ ｔ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｌ ｆｔｒ ｅ ｓ ｍ ｌｓ Ｔｈ ａ ｕ ａｉ ｎ ｒ ｓ ｌｓｉ ｄ ｃ ｔｄ ｔｔ ｔ ｄ ｎ ｔｏ ｌ ｒ ｄ ｔ ｆ ｃ ｙ ｉ ｌ ｈ ｈ ｈ ｉ ｅ ｌ ｈ ａｉ ｆｓ ｒｎ ｇ ｏ ｅｉ ｔ ｌ ， ｕ ｏ ｐ ｅ ｃｓｔ ｔｅ ｌｃ ｔ ｎ ｏ ｈ ｉｋａ ｅｈ ｌ ｅｗａｌ ｂ ｔａｓ ｒ ｉｔ ｅｌ ａ ｏ ｎ ｈ ｐ ｆｓ ｒｎ ｇ ｏ ｅｉ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏ ｏ ｎｈ ｌ ｄ ｈ ｏ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ａ ｏ ｈ ｉｋａ ｅｈ ｌ ｎｔ ｐ ｕ ｃ ｉ ｅ ｈ
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
ZL201铝合金铸件凝固过程温度场的有限元模拟
刘广君
【期刊名称】《铸造技术》
【年(卷),期】2011(32)1
【摘要】以矩形ZL201铝合金铸件压力铸造为例,对凝固过程进行了合理的假设和简化,利用有限元方法,对铸造凝固过程温度场宏观变化进行了模拟计算,获得了铸型与铸件在凝固过程中的温度分布规律。
在凝固过程中,铸件温度一直呈下降趋势,铸型温度的变化趋势是先升高后降低。
计算结果表明,三维温度场的数值模拟能够反映铸件冷却过程温度场的动态变化,为提高铸件质量、确定凝固时间和优化工艺参数提供了参考。
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】凝固;温度场;铝合金;数值模拟;有限元法
【作者】刘广君
【作者单位】北方民族大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG244
【相关文献】
1.铸件凝固过程中温度场的数值模拟 [J], 赵鑫;温泽峰;金学松
2.铝合金压铸件凝固过程中的瞬态温度场分析 [J], 传海军;黄晓锋;毛祖莉;曹喜娟
3.基于ANSYS的铝合金铸件凝固过程温度场的数值模拟 [J], 牛晓武
4.铝合金铸件凝固过程的有限元数值模拟研究 [J], 尤江;王承志;安晓卫;孟宪嘉
5.基于ANSYS的铸件凝固过程瞬态温度场的有限元数值模拟 [J], 王振军
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
第三讲 温度场的有限元分析
2
...
二维单元
Ni ( x)ui
1
n
注：Ni可为Lagrange、 Hamiton多项式或形函 数，在+1~-1间变化
u ( x, y ) N i ui
1
n
v( x, y ) N i vi
1
n
第三讲 温度场的有限元分析
参考： 《有限单元法在传热学中的应用》，孔祥谦 编著， 北京：科学出版社，第三版，1998.9 （TK124/7）
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
平面稳态温度场的有限元法
• 1、泛函与变分
温度场基本方程推导
• 整理得：
c T T T T (k x ) (k y ) (k z ) Q 0 t x x y y z z
• 满足上述热传导方程的解有无限多个，为了确定真 实的温度场，必须知道物体初始瞬态的温度分布， 即初始条件，称为第一类边界条件 T ( x, y, z, t )t 0 T ( x, y, z ) • 同时，还需知道物体表面与周围介质间进行热交换 的规律，即边界条件，有三类边界条件。
边界面上的热流密度q[w/m2]为已知
2T 2T 2 0 2 x y
T k n
q 0
1
平面稳态温度场的有限元法
• 2、平面稳态温度场的泛函 第三类边界条件平面稳态温度场
金属型铸造温度场的有限元数值模拟及确定热物理参数的_逆方法_
金属型铸造温度场的有限元数值模拟及确定热物理参数的“逆方法”Ξ陈玲1,王鹏林1,张敬宇1,郭长海2(1.天津理工学院机械工程学院,天津 300191;2.天津理工学院材料工程学院,天津 300191)摘要:采用虚拟仿真技术,利用ANSYS软件,对铸造系统凝固过程的温度场进行研究。
考虑了相变潜热、对流边界条件和界面传热系数等各种因素,并将ANSYS计算结果与实验数据进行对比,得到了合理的温度分布,为进一步研究消除铸造缺陷等工程实际问题打下了基础。
同时提供一种确定热物理参数的“逆方法”。
关键词:铸造过程;虚拟仿真;ANSYS中图分类号:TB115 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2003)12-0029-03 传统的铸造行业有悠久的历史,并且直到现在仍然是整个机械工业的基础。
但它也面临着很多问题:如产品质量不易保证、生产效率低、能源和材料消耗、绿色环保等。
这其中的原因之一:铸造过程复杂;之二:缺乏理论指导。
鉴于以上原因,目前的铸造工艺设计大多凭设计者的经验和直觉,这样在实际生产中必然会出现大量的反复和调整,增加了废品,提高了成本。
近年来,计算机辅助工程分析(CAE)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。
但是,虽然有了模拟软件,要用它把一个真实铸件的有关物理场变量比较准确地模拟出来,还有一系列的研究工作要做:(1)应用软件分析铸造温度场时,需要给出定解条件,但是,由于铸造过程物理场现象的复杂性、边界传热系数、铸件与铸型间界面传热条件等,这些定解条件并非完全确定,还需进行一些试探去积累确定它们的经验,有时还需要从易得的实验数据去帮助确定。
(2)由于铸造过程物理场包含着强非线性因素,还需通过模拟的实践保证非线性解的收敛和稳定。
直接测量边界对流传热系数和界面传热系数很难实现,而要测取铸造系统中一些点的温度历程,相比之下容易得多。
CAE-在铸造系统温度场和应力场数值模拟中对ANSYS的理论验证
瞬态温度场分析结果
•左图为 t＝1.9s（第10步）时刻的温度云图。 •右图为 t＝（第60步）时刻的温度云图。
温度云图
瞬态应力场分析结果
•由数值模拟的分析结果可以看出：初始时铸件温度高，铸型温度低，由于热传导的作用，铸件因温度降低 而收缩，铸型因温度升高而膨胀。 • 系统产生热应力的原因有二个：1.由于铸件左边壁面收缩时受到铸型的阻碍，在环向产生拉应力；2.铸件 热传导使其内部温度分布不均匀，中心温度高，靠壁面温度低，由于收缩程度不同，在铸件外层环向产生 拉应力，内层环向产生压应力。应力云图与理论分析完全吻合。
• 图示系统，由于铸件与铸型的材料不同， 二者之间的界面需采用接触单元分析。
• 在模拟分析中发现，无论采用直接法还是 间接法求解，当界面之间出现裂缝时，接 触单元失效，程序无法继续进行。
• 因此需要探索在这种情况下如何正确使用 ANSYS来求解问题，对其进行理论验证。
本文对ANSYS软件进行理论验证的方法是：
1.考虑较为简单的工况，其结果具有解析解，然后将ANSYS的分析结果 与解析解进行比较；
2.其次考虑稍微复杂一些的工程算例，对其结果可以进行直观判断和定性 分析。
验证的目的在于考察系统物理性质的非线性、接触单元模拟的正确性以 及热－应力耦合场的分析功能。
二、简单算例的理论验证
• 假设有一实心圆柱体A1，外面依次套上两个环形圆柱体A2和A3，该模型可视为厚壁筒， 这是一个二维轴对称问题，根据弹性力学的计算公式可以求出其解析解。
• 采用ANSYS对其进行求解，A1、A3视为铸型，材料为45钢，初始温度30，A2为铸件， 材料为铝合金，初始温度650 。各圆柱体之间的界面采用接触单元。
• 下图为几何模型和有限元模型。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铸造模型的温度场有限元分析
概述
铸造是一种工程制造方法，将液态金属或其他物质浇铸到一个模具中，让其冷却并形成所需形状。
在铸造过程中，温度场是非常重要的
因素。
温度场决定了物体的热胀冷缩、形变、质量等方面，因此对温
度场进行分析和优化是铸造中非常关键的步骤。
有限元分析是一种数值分析方法，广泛应用于工程领域中的物理模
拟和优化。
它通过将复杂的物理系统划分成离散的小单元，然后进行
数值计算，求解问题的数值解。
因为铸造模型具有复杂的结构和几何
形状，因此需要使用有限元分析方法对其温度场进行建模和分析。
建模
铸造模型的温度场建模通常采用有限元法。
首先需要将模型划分为
许多小单元，然后对每个小单元进行分析。
对于铸造模型，一般采用
三维有限元建模。
建模首先需要构建模型几何结构，通常可以使用CAD软件进行建模，并将建模结果导入有限元分析软件中。
此外，还需要确定材料属性如
热传导系数、比热容等物理参数。
这些参数可以通过实验或者文献数
据获得。
模型建立后，需要进行网格划分。
网格划分是将模型划分为许多小
单元的过程。
划分应该既能保证精度，又不能花费过多的计算资源。
常用的有限元网格包括四面体网格和六面体网格。
求解
一旦建立了有限元模型并完成了网格划分，就可以求解铸造模型的
温度场了。
求解需要根据材料性质、边界条件和初值条件设置方程组。
为此，通常会考虑以下因素：
•材料参数：包括材料的比热容、密度、热传导系数等。
•边界条件：包括模型的外表面或锥度面进行空气自流冷却，穴道内部注射的铸造材料温度，模型的初值等。
•时间步长：需要选用适当的时间步长来求解模型。
通过建立方程组，使用求解器对其进行求解。
有限元分析通常可以
获得模型的温度分布、热流量、热应力等结果。
结果分析
求解完成后，可以对求解结果进行分析和优化。
通常采用后处理软
件进行结果可视化，比如ParaView、Tecplot等软件。
常用的分析方式包括对温度场进行动态展示、温度场的等高线图、
热流分布图等。
这些可视化结果可以帮助研究人员更好地了解模型温
度分布的规律，并进行优化改进。
应用
有限元分析在铸造领域的应用非常广泛。
通过对铸造模型的温度场分析，可以优化模型内部的几何结构，改进热流动条件，提高产品的质量，减少生产时间和成本。
在实际应用中，有限元分析通常结合实验验证进行。
通过建立有限元模型，可以先进行温度场分析并获得相应的优化方向。
然后通过实验验证，调整模型，进一步提高优化结果的可靠性与实用性。
结论
铸造模型的温度场有限元分析是铸造领域中的一项重要工作。
通过有限元分析，可以获得模型的温度分布、热流量、热应力等参数，提高铸造产品的质量，减少生产时间和成本。
建立准确的有限元模型并进行合理的求解和分析是实现以上目标的基础。
因此，加强对铸造模型有限元分析的研究与应用具有重要意义。