数值传热学--作业

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数值传热学大作业
—淬火过程的瞬态热分析
专业:材料工程
班级:研1303班
学号:S2*******
指导教师:孙斌煜
姓名:李康
一、问题描述
某零件材料为45钢,按照国标GB/T6912-1999规定的45钢推荐热处理制度为
840C 。

淬火.600C 。

回火,淬火介质为水,试计算零件温度随时间的我变化曲线和最后时刻的温度场云图 (1)45钢
弹性模量:200GPa 泊松比:0.3
质量密度:78503/m kg
膨胀系数:15.5e-6m/C 。

比热:448C J kg / 导热系数:70()
C m W .*/ (2)水 密度:9963/m kg 比热:4185C J kg / 导热系数:2()
C m W .*/
水沸腾对流换热系数:1200()
C m W .*2/
初始45钢温度840,水的初始温度为20C 。

,水槽宽1m,中间位零件最大截面60mm ,下图为淬火过程的零件截面。

图-1
二、创建模型
1.建立分析项目
(1)在Windows系统下执行“开始”—“所有程序”—“ANSYS14.0”—“Mechanical APDL(ANSYS)14.0”命令,启动Mechanical APDL(ANSYS)14.0,进入主界面。

(2)选择热分析过滤菜单
GUI:选择菜单Main Menu —Preprocessor,弹出分析项目对话框,选择Thermal 热分析,如图2 所示,完成后单击OK按钮结束。

2.更改分析名称和标题
(1)改变工作项目标题
GUI:File→Change Title,弹出对话框,输入“Thermal01”如下图,单击OK结束。

(2)更改项目名称
GUI:File→Change Title,弹出对话框,输入“Thermal01”下方的复选框,如下图所示,完成单击OK完成。

3.创建材料模型
要点:创建模型顺序依次为工件,水
(1)添加导热系数
GUI:Main Menu →Preprocessor→Material Prop→Material Models→Thermal→Conductivity→Isotropic,弹出对话框,输入导热系数70,如下图完成后单击OK 结束输入
(2)添加比热容
GUI:Main Menu →Preprocessor→Material Prop→Material Models→Thermal→Specific Heat.弹出比热容输入对话框,在文本框中输入工件比热容448,如下图,成后单击OK结束输入
(3)添加密度
GUI:Main Menu →Preprocessor→Material Prop→Material Models
→Thermal→Density,弹出密度输入对话框,在文本框中输入工件比热容7785,如下图,成后单击OK结束输入
(4)创建材料2依照上述步骤添加水的比热容4185,密度996,导热系数2
5.选择单元
GUI:Main Menu →Preprocessor→Element type→add/Edit/Delete→add,弹出下图所示单元对话框,选择Thermal Solide的Quad 8node77单元,按OK键结束
设置单元选项
GUI:Main Menu →Preprocessor→Element type→add/Edit/Delete→add,弹出Element type对话框,单击对话框中的Option,弹出设置单元对话框,在单元形状K3文本框选择Plane Thickness,如下图,单击OK结束关闭对话框。

5.设置实常数
GUI:Main Menu →Preprocessor→Real constants →add/Edit/Delete,单击add
增加常数,弹出单元菜单,选择上步选择的单元solide77,弹出下图所示对话框,在THK后文本中输入0.05,单击OK关闭对话框。

6.创建几何模型
(1)建立正方形平面边长为1
GUI:Main Menu →Preprocessor→Modeling →Create→Areas→Retangle→By Dimensions,在弹出对话框中设置X1,X2(0.5,-0.5),Y1,Y2(0.5,-0.5),数据如下图所示
(2)创建工作圆形截面
GUI:Main Menu →Preprocessor→Modeling →Create→Areas→Circle→By Dimensions,在弹出对话框中设置外径0.06,内径不填,起始角度为0和360度,如下图所示
(3)对几何模型进行交叠面布尔运算
GUI:Main Menu →Preprocessor→Modeling →Operate→Booleane
→overlap →Area,单击选择菜单,选择PICK ALL
7.划分网格
(1)网格大小设置
GUI:Main Menu →Preprocessor→Meshing→MeshTool→Global→set,在Size 栏中划分单元格为0.03
(2)属性设置
GUI:Main Menu →Preprocessor→Meshing→MeshTool,单击第一个文本框Set,
(3)
GUI:Main Menu →Preprocessor→Meshing→MeshTool,弹出MeshTool对话框,单击Mesh按钮,弹出对话框,如下图,选择上一步设置此料对应的几何部分,单击OK,在单击Mesh选择对应部分划分。

(4)细化工件周围单元
GUI:Main Menu →Preprocessor→Meshing→MeshTool弹出划分工具框,单击下方Refine细化单元,弹出选择菜单,再选择菜单,在选择Box选项选择周围单元细化,再细化等级选项中选择2级,单击OK关闭对话框。

(5)按照上述方法设置大小为0.01,材料为2划分工件圆面网络,细化单元如下图
三.加载求解
(1)添加初始温度
GUI:Main Menu →solution→Difine Loads→Apply→Initial Condit’s→Define,弹出选择菜单,选择Circle原型选取,完成工件原型区域,完成后出现设置初始温
度菜单,选择TEMP,在下方文本框输入840,如下图,完成后单击OK结束。

(2)水槽施加温度载荷
GUI:Main Menu →solution→Difine Loads→Apply→Thermal→Temperature→On Areas,弹出选择菜单,选择水槽面,后弹出如下图所示对话框,选择自由度
TEMP,在下方文本框输入20,按OK键结束。

(3)施加水的对流载荷
GUI:Main Menu →solution→Difine Loads→Apply→Thermal→Convection→On line,选择圆形区域边线外壁位置,在VALI框输入1200,在VAL2I框输入20,按ok键结束。

如下图
4)设置分析类型
GUI:Main Menu →solution→Analysis Type→New Analysis,选择Transient瞬态
分析选项,弹出求解方法对话框,如下图
5)设置瞬间状态分析时间步长和载荷时间
GUI:Main Menu →solution→Analysis Type→Sol’n Control,弹出Solution
Control对话框,在此对话框中的Basic选项中做出一下选择
6)保存文件
保存文件
GUI:Utility Menu—File—Save DB,则文件被保存在相应的位置
7)计算求解
GUI:MainMenu—Solution—Solve—Current LS,
弹出Solve Current Load Stp对话框,单击OK按钮开始求解,当出现Solution is Done时,表示求解结束。

四.结果后处理
1.通过后处理器查看云图
1)读取最后载荷步结果
GUI:MainMenu—General Postproc—Resd result—Last set,读取最后一个载荷子步结果,
2)画出温场云图
GUI:MainMenu—General Postproc—Plot result—Control Plot —Nodal SOlu,弹出对话框,选择Nodal Solution→DOF Solution →Nodal Temperaturesr,单击
下方OK,效果如下图所示
2.时间历程后处理器,查看点9682和9733
GUI:Main Menu →TimeHist Postpro→Difine Variables,弹出Histroy Variables对话框,单击Add按钮,弹出Add Histroy Variables 对话框,选择Nodal DOF Result,单击ok,弹出Define Nodal Date拾取按钮,在文本框中输入9682,单击OK按钮,弹出Define Nodal Date对话框,如下图,进行设置,设置完成后单击ok按钮结束,按照相同的方法创建9733节点,变量名称为TEMP2
输入变量显示曲线
GUI:Main Menu →TimeHist Postpro→Difine Variables命令,弹出Graph Time- HisteryPospro Variable对话框,在其文本框中输入2,3变量,结果曲线如下图所示
命令:P率爱人,2,3!绘制位移--时间曲线。