基于ANSYS的T型鑄鋼件鑄造溫度場的數(shù)值模擬

汪俊

摘 要：為觀察鑄鋼件凝固時(shí)內(nèi)部的溫度分布情況，采用數(shù)學(xué)模擬的研究方法，，利用ANSYS軟件對鑄鋼件冷卻時(shí)的溫度場進(jìn)行瞬態(tài)熱分析模擬，得到冷卻時(shí)的溫度及溫度梯度分布。結(jié)果反映了鑄造系統(tǒng)溫度的變化過程，并對鑄件所產(chǎn)生的缺陷部位進(jìn)行預(yù)測，從而為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：T型鑄鋼件；數(shù)值模擬；溫度場；ANSYS

鑄造過程溫度場數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地表達(dá)鑄件凝固冷卻的過程，從而預(yù)測和分析鑄件縮松、縮孔等缺陷。在眾多的溫度場數(shù)值模擬軟件中，ANSYS是最為通用有效的有限元軟件之一。本文采用ANSYS軟件對鑄鋼件凝固過程瞬態(tài)溫度場建立有限元分析模型 ，并預(yù)測了縮松、縮孔等缺陷的發(fā)生。

1 溫度場數(shù)理模型的建立

本文研究所用T型鑄鋼件及其砂型的橫截面尺寸如圖1所示。考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，取鑄件和砂型模具橫截面的1/2為研究對象，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高模擬的精度，使模擬的結(jié)果更接近實(shí)際值。

1.1 基本假設(shè)和處理

鑄件實(shí)際凝固過程非常復(fù)雜，各種復(fù)雜因素很難都考慮到，故對模擬過程做如下的假設(shè)和簡化：

金屬液是瞬時(shí)充滿型腔，并忽略金屬液的對流傳熱；不考慮金屬液的過冷，凝固從液相線溫度開始，固相線溫度結(jié)束；砂型模具在澆注過程溫度變化不大，假設(shè)其熱物性不隨溫度變化。

1.2 凝固傳熱過程中的熱傳導(dǎo)方程

鑄件凝固過程可以看成是一個(gè)不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程，其控制方程為：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，p為鑄件密度，Cp比熱；Q為內(nèi)部熱源產(chǎn)生的熱量；T為溫度；t為時(shí)間，x，y，z為任意點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3 邊界條件的確定

由假設(shè)知鑄件材料均勻，對稱面的溫度分布均勻，且鑄型內(nèi)表面與鑄件表面溫度相同，傳熱過程取決于熱物理性質(zhì)。故鑄件與砂型、砂型與空氣間的熱交換為對流換熱。

1.4 熱物性參數(shù)處理

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得鑄到鋼件和砂型的熱物性參數(shù)。

2 溫度場模擬過程分析

2.1 設(shè)定初始條件、創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格劃分

在t=0時(shí)刻，鑄件的溫度為1550℃，鑄型的溫度為25℃，空氣的溫度為25℃，鑄型與空氣對流換熱系數(shù)為65W/（m·℃）。根據(jù)模型實(shí)體建立模型，為了更準(zhǔn)確地模擬鑄件內(nèi)部溫度的分布，鑄件和模具采用智能網(wǎng)格器劃分網(wǎng)格，劃分后的模型共包括234個(gè)單元，271個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 加載和求解

根據(jù)按上述設(shè)定壓鑄件凝固過程的初始條件和邊界條件，施加溫度載荷。選定分析類型為Transient瞬態(tài)分析類型，先進(jìn)行時(shí)間步長0.01s的穩(wěn)態(tài)分析，得到的溫度場作為整個(gè)瞬態(tài)分析過程的初始溫度，打開自動(dòng)時(shí)間步長，計(jì)算終止時(shí)間為14400 s，時(shí)間步長100 s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

采用等值溫度彩云圖法描述鑄件以及各點(diǎn)的溫度場和溫度梯度。分析不同時(shí)間段鑄件及其模具各點(diǎn)溫度的分布，得出縮孔、氣孔等缺陷在凝固時(shí)易產(chǎn)生的部位，借助溫度場的數(shù)值模擬技術(shù)，研究金屬液體凝固過程的機(jī)制及其凝固規(guī)律。

由圖2可知，澆鑄初期，溫度擴(kuò)散不明顯，其中芯部溫度最高，砂型溫度基本不變化；隨著凝固時(shí)間的推移，鑄件內(nèi)部到金屬型之間形成了明顯的呈梯度分布的溫度場，且鑄件表面溫度下降先于鑄件的心部，這是由于鑄件表面與砂型接觸導(dǎo)致表面溫度下降快，而心部由于熱傳導(dǎo)速度慢所以溫度下降慢。

4 研究整個(gè)凝固過程中不同位置溫度變化情況

比較鑄件F、D、G三點(diǎn)可知，前3000秒內(nèi)F點(diǎn)溫降緩慢，D、G點(diǎn)溫降快于F，G點(diǎn)溫降快于D點(diǎn)，之后它們的溫度下降曲線近似相同。因?yàn)镕點(diǎn)在對稱面的熱傳導(dǎo)較緩慢，而G點(diǎn)與砂型直接進(jìn)行熱傳導(dǎo)，D點(diǎn)位于鑄件內(nèi)部，故較于G點(diǎn)慢；比較砂型內(nèi)A，B，C，E四點(diǎn)可知，前3000秒內(nèi)A點(diǎn)迅速升溫，遠(yuǎn)快于E，C兩點(diǎn)，之后溫度下降，E點(diǎn)溫度總高于C點(diǎn)。因?yàn)锳點(diǎn)在T型件拐角，與鑄件接觸，故溫度上升快，E，C兩點(diǎn)都在砂型表面，但E點(diǎn)距離鑄件較近，故整個(gè)過程中溫度比C高；從圖4中可看出各點(diǎn)溫度分布較復(fù)雜，鑄件內(nèi)部各點(diǎn)溫度分布趨勢相似， 砂型表面各點(diǎn)溫度分布趨勢相似，整體溫度隨著時(shí)間延長而逐漸降低，這與客觀事實(shí)相符。

5 結(jié)語

通過對T型鑄件凝固溫度場的數(shù)值模擬， 得出鑄件及砂型的溫度變化情況， 與鑄件直接接觸的砂型部分溫度上升最快， 溫度梯度變化也最大。依據(jù)仿真模擬結(jié)果和溫度分布圖的分析，不難得出鑄造缺陷的位置，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

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