第2章——凝固温度场-2014
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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。
第一章1金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏,液态金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
原因:金属熔化时典型的体积变化∆V V m /(多为增大)为3%~5%,金属熔化潜热m H ∆比其汽化潜热b H ∆小得多,为汽化潜热的1/15~1/30。
2粘度:定义:作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dy dv x /的比例系数。
dy dv x ητ= 相关数学表达式:)exp(203T k U T k B B τδη= 0τ为原子在平衡位置的振动周期(对液态金属约为s 1310-) 粘度随原子间距δ增大而降低,以3δ成反比。
3运动粘度为动力粘度除以密度,即ρην/=粘度的影响因素:①金属液的粘度η随结合能U 按指数关系增加;②粘度随原子间距δ增大而降低;③η与温度T 的关系受两方面共同制约,但总的趋势随温度T 而下降。
4粘度在材料成型中的意义:①粘度对层流的影响远比对湍流的影响大。
在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
当2300>e R 时,为湍流,当2300<e R 时,为层流。
雷诺数Re=ηρνDv Dv =(D 为直接,v 为速度,v 为运动粘度)ρνη速层D R f 32e 32== 2.02.00.2092.0e 092.0)速(湍ρνηD R f == 5流动阻力越大,管道中运输相同体积的液体所消耗的能量就越大,或者所所需压力差也就越大,由此可知,在层流情况下的液体流动要比湍流时消耗的能量大。
6夹杂物和气泡的上浮速度与液体的粘度成反比ηρρ2)(92r g v B m -=(m ρ为液体合金密度,B ρ为夹杂物或气泡密度) 下沉m B ρρ-(即杂—液)。
7.压力差:对一般曲面σ)11(21r r p +=∆(σ表面张力) 对圆柱形(2r =∞)则p ∆=rσ(式中1r r =)对球形(如液滴)(21r r =)则rp σ2=∆(式中21r r r ==) 9附加压力的意义:铸造过程金属液是否侵入砂型毛细管而形成粘砂,与表面张力σ引起的p ∆有关,金属液与砂型不湿润,有利于防止金属侵入砂型毛细管而形成粘砂,但毛细管直径D 及金属液静压头H 越大,越容易产生粘砂。
第二章凝固温度场4. 比较同样体积大小的球状、块状、板状及杆状铸件凝固时间的长短。
解:一般在体积相同的情况下上述物体的表面积大小依次为:A 球<A 块<A 板<A 杆根据 K R =τ 与 11A V R = 所以凝固时间依次为: t 球>t 块>t 板>t 杆。
5. 在砂型中浇铸尺寸为30030020 mm 的纯铝板。
设铸型的初始温度为20℃,浇注后瞬间铸件-铸型界面温度立即升至纯铝熔点660℃,且在铸件凝固期间保持不变。
浇铸温度为670℃,金属与铸型材料的热物性参数见下表:热物性材料导热系数λ W/(m ·K) 比热容C J/(kg ·K) 密度ρ kg/m 3 热扩散率a m 2/s 结晶潜热 J/kg 纯铝212 1200 2700 6.510-5 3.9105砂型 0.739 1840 1600 2.510-7 试求:(1)根据平方根定律计算不同时刻铸件凝固层厚度s,并作出τ-s 曲线;(2)分别用“平方根定律”及“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间,并分析差别。
解:(1) 代入相关已知数解得: 2222ρλc b =,=1475 ,()()[]S i T T c L T T b K -+ρπ-=10112022 = 0.9433 (m s m /)根据公式K ξτ=计算出不同时刻铸件凝固层厚度s 见下表,τξ-曲线见图3。
τ (s) 020 40 60 80 100 120 ξ (mm)0 4.22 6.00 7.31 8.44 9.43 10.3(2) 利用“平方根定律”计算出铸件的完全凝固时间:图3 τξ-关系曲线取ξ =10 mm , 代入公式解得: τ=112.4 (s) ;利用“折算厚度法则”计算铸件的完全凝固时间:11A V R = = 8.824 (mm) 2⎪⎭⎫ ⎝⎛=K R τ = 87.5 (s) 采用“平方根定律”计算出的铸件凝固时间比“折算厚度法则”的计算结果要长,这是因为“平方根定律”的推导过程没有考虑铸件沿四周板厚方向的散热。
第一章:液态金属的结构与性质1雷诺数Re:当Re>2300时为紊流,Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η,D为直径,u 为流动速度,v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力:表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角:接触角为锐角时为润湿,钝角时为不润湿。
3压力差:当表面具有一定的曲度时,表面张力将使表面的两侧产生压力差,该压力差值的大小与曲率半径成反比,曲率半径越小,表面张力的作用越显著。
4充型能力:充型过程中,液态金属充满铸型型腔,获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力,即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序:液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的,液体结构宏观上不具备平移、对称性,表现出长程无序特征;而相对于完全无序的气体,液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团,液体结构表现出局域范围内的近程有序。
拓扑短程序:Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体,原子间的共价键并未完全消失,存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序:Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构:实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成,同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物,而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征,其结构相对复杂。
能量起伏:液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低,同一原子的能量也在随时间不停的变化,时高时低,这种现象成为能量起伏。
结构起伏:由于能量起伏,液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散,此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏:游动原子团簇之间存在着成分差异,而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化,这一现象成为浓度起伏。