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第13 次课 2 学时第五章 铸件的凝固第一节 铸件的温度场（2）三、铸件的温度场的测定测定方法见图3-11 铸件及铸型各部分安放热电偶，然后分别利用多点自动记录装置给出温度与时间的曲线 如图3-12a 其中1、2、3、、、、为铸件中不同位置（距界面间距）每一条曲线代表铸件某一特定位置的温度随时间变化的曲线。
根据图3-12a 可给出铸件断面上不同时刻的温度场图3-12b （叙述曲线的做法）和铸件凝固动态曲线（下一节讲）从温度场曲线看出：○1温度场随时间变化 --- -不稳定温度场； ○2温度场的变化速率---- 温度梯度； 两个例子：—— 图3-13是纯铝圆柱形铸件的温度场a ．铸型中的液态金属几乎同时从t 浇 降到t sb ．接近铸件表面的合金结晶时释放，阻止了内部合金的温度下降，在曲线上表现出平台；c ．拐点出现的时刻说明结晶（凝固前沿）到达的时刻；d ．凝固初期，温度梯度大，以后逐渐减慢；e ．固溶体合金的温度场与此相似t L 有拐点 t s 没有明显拐点——图3-14共晶型合金的温度场a ．铸型内合金很快降至液相线温度b ．两个拐点：t L 液相线温度 t s 共晶温度两个概念：等温面（等温线）：某一瞬间温度场中温度相同点组成的面（或线）有时温度场用等温面（或线）表示。
用途：不规则的铸件通过测定或通过数值模拟来确定等温面，直观判断铸件的凝固顺序，找出缩孔的位置。
——所以对铸造工艺设计很有意义。
四、影响铸件温度场的因素以上已指出：某一瞬间的温度场可以用等温面表示，即是由不同温度的等温面组成。
温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增加率称为该点的温度梯度：gradt=xt x t lim x ∂∂=∆∆∆（℃/m ） 所以，温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温度变化速率，也是时间空间的函数。
gradt 增大 ，铸件的温度场越陡，铸件的凝固速度越大。
下面讨论温度场的影响因素，实际上是温度梯度的影响因素。
铸造过程中热场分析及其应用在金属液全部浇入型腔后至金属液凝固的这段时间里，型腔内金属液（包括铸件和浇冒系统）以温度为表症的比内能（单位质点含有的能量J/kg）分布即为热场。
在传统的铸造工艺理论中，将铸件几何结构中材料富集部位，也就是几何断面较大的部位确定为热节，并将热节纳入工艺控制重点。
这些都是建立在金属液浇注完这一时刻，型腔内金属液温度都一样的基础上的，然后根据均匀散热的条件，单位比表面积最小的部位即比内能下降最慢的部位，就是最后凝固部位，也即是一般热节所在部位。
但是利用铸件热节分布来安排铸造工艺，在生产实践中往往会出现工艺缺陷，也就是说，铸件局部过热和过热引起的缺陷不一定出现在几何热节处。
为此引入热场概念。
通过对铸型浇注完毕后，金属液总体的温度分布以及随冷却条件的差异导致温度分布变化的研究，确定热场的分布，用比内能的概念取代热节，从而决定铸造工艺的布置，以弥补单纯依靠热节来安排铸造工艺的不足。
一、热场的分类根据铸造工艺的不同，所形成热场对铸件顺序凝固是否有利，热场可分为良性热场和不良热场两种。
以最简单的平板铸件为例，说明铸造工艺布置对热场和铸件缺陷的影响。
图1为不良热场，图2为良性热场。
图1中的铸造工艺布置按几何热节法找不出任何不妥当的地方，但是按此工艺生产的铸件会在A处的位置出现缩松缺陷。
这是由于图1中金属液的温度分布是按图中顺序数的增大而递减的。
导致这一现象的产生原因是铸型的吸热作用和明冒口的辐射散热作用，图中死角部分（序号6）附近的金属液一旦充入就不再流动，在未浇注完毕时就已开始冷却结晶，而中间区域是充型通道，温度始终接近于浇注温度，这个区域附近的型砂温度也比较高，至使在补缩通道中不能形成温度递减的顺序凝固现象，而补缩通道的上游却先与下游凝固，使A处产生缩松缺陷。
因此可以看出，对于几何断面均匀的铸件，在各部位散热条件基本一致时，由于温度分布的不均匀使铸件备部位的比内能不均匀，所以在均匀的质量场中形成了不均匀的热场，即不良热场，对铸件的顺序凝固不利，易产生铸造缺陷。
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。
铸件凝固过程中热应力场及热裂的数值模拟研究分析1 铸件凝固过程数值模拟的意义及概况自1962年丹麦Fround第1个采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，计算机在铸造工艺研究中得到了广泛的应用，如凝固过程温度场、热应力场的数值模拟，充型过程流速场的数值模拟；组织形态及力学性能的数值模拟等。
通过这些单1或复合过程的数值模拟，可以分析铸件中存在的各种缺陷的产生原因，进而采取相应工艺措施来消除缺陷，实现工艺优化，同时可以节省大量的人力、物力和财力，缩短产品从设计到应用的周期，增强产品的市场竞争能力。
如今，在芬兰，90%以上的铸造厂在日常中应用铸造模拟软件辅助铸造工艺设计；世界上一些大型的汽车公司的铸造厂，如美国的通用、福特，德国的奔驰等，都把数值模拟软件作为1种日常工具来使用。
近10年来，涌现出了许多优秀的铸造过程数值模拟软件，如美国的ProCast、德国的MAGMASoft、芬兰的CastCAE、西班牙的ForCast、日本的CASTEM、法国的SIMULOR软件等。
从功能上看，许多软件可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场、应力场的数值模拟，可以预测铸件的缩孔、缩松、裂纹等缺陷和铸件各部位的组织。
国内在经历了10多年的基础研究和发展后，也出现了一些技术水平接近国外商品化的应用软件，可以进行铸钢、铸铁件砂型铸造时的三维温度场模拟及收缩缺陷的预测，以及对铸钢、铝合金件的热应力场进行模拟。
总的来说，国外软件的通用性强，能进行铸造全过程的数值模拟，并具有较强的后置处理功能及友好的用户界面。
建模方便，易于模型设计和修改，便于用户掌握和使用。
其计算精度与运算速度等方面也能满足需要。
正因为如此，国外模拟软件已经成为实际生产中的有力工具.国内不少用户趋向于采用大型通用工程软件如：COSMOS、ANSYS、ADINA等进行模拟计算。
2 数值模拟的基础性研究2.1 铸件凝固过程温度场数值模拟经过几十年的发展，铸件凝固过程温度场数值模拟技术已日臻成熟。
凝固温度场的测定一、意义和目的铸件温度场是指浇注后，某一时刻铸件内部的温度分布规律。
在温度场中，向着铸件中心的方向上单位长度的温度变化率称为温度梯度。
本实验主要是测定凝固时期各个时刻的铸件温度场。
铸件凝固时期的温度场越陡，即温度梯度越大，则铸件冷却得越快，它的凝固速度就越大。
某一时刻铸件温度场中温度相同点所组成的面称为等温面。
对于在一个温度范围（结晶间隔）内凝固的合金而言，铸件断面中由达到液相线温度的点所组成的面，称为液相线等温面，或称为液相边界。
同样，由达到固相线温度的点组成的面，称为固相线等温面，或称为固相边界。
凝固过程中，铸件断面上液相边界和固相边界之间的区域谓之凝固区域，也就是铸件凝固过程中凝固并存区域。
阐明凝固时期各个时刻的凝固区域大小和它从铸件表面向铸件中心移动规律的曲线，称为凝固动态曲线。
测定凝固动态曲线能够比较全面地描绘铸件凝固过程和研究这种过程。
凝固区域的大小即宽度决定了铸件的凝固方式，即逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。
凝固区域于狭窄，铸件越是倾向于逐层凝固方式。
这种凝固方式的铸件容易形成集中缩孔，便于采取措施（例如用冒口）去除铸件中的集中缩孔；铸件的热裂倾向性小和金属液充型能力较好。
凝固区域越宽，铸件越是倾向于糊状凝固方式。
这种凝固方式的铸件容易形成分散性的缩孔即缩松，即使采用冒口亦难以消除这种缩松；铸件的热裂倾向性大和金属液充型能力差。
金属和铸型两方面的各种因素决定了凝固区域的宽窄，也就是决定了铸件的凝固方式。
例如合金的结晶间隔（液相线到固相线之间的温度间隔）越大，铸件的凝固区域就越宽，糊状凝固方式的倾向性就越大。
反之，结晶间隔越小，则铸件的凝固区域越窄，逐层凝固方式的倾向越大。
当合金的化学成分一定时，也就是结晶间隔大小一定时，铸型冷却能力越大，铸件温度场就越陡，温度梯度就越大，凝固区域就越窄，强化了逐渐逐层凝固的倾向，可以削弱铸件糊状凝固的倾向。
将液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同的时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳，这种研究凝固的方法称为倾出法。
铝合金铸件凝固温度测量及分析敬必成代习彬罗定荣刘志先周麟升重庆新红旗缸盖制造有限公司，重庆 402560摘要：通过实验在线测量铸件凝固过程温度变化，绘制凝固过程温度曲线图。
计算出凝固过程中温度梯度、冷却速度、凝固方式。
根据计算结果分析及预测可能产生的缺陷。
关键词：凝固过程；温度梯度；凝固方式；冷却速度铸件是熔融金属注入铸型，凝固后得到的具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或零件毛坯[1]。
金属的凝固是铸件形成过程中的重要环节，在很大程度上决定铸件的内部质量。
铸件出现的缩孔、缩松、针孔、浇不足、偏析、冷裂、热裂、变形等缺陷都是在凝固过程中产生的。
所以，认识铸件的凝固规律，对防止产生铸造缺陷、改善铸件组织、提高铸件的性能，有十分重要的意义。
而测定铸件凝固温度场是了解铸件凝固过程的一个非常重要的途径。
铸件的凝固方式主要分为逐层凝固、糊状凝固（体积凝固）及中间凝固。
铝合金铸件几乎都是逐层凝固成型。
逐层凝固的凝固前沿与熔液直接接触，金属由液体转变为固态时发生的体积收缩，直接得到熔液的补充。
因此，凝固过程中产生缩松的倾向小，而在最后凝固部位形成缩松。
在凝固过程中，由于收缩受阻而产生晶间裂纹，容易得到溶液的补充，使裂纹愈合，所以热裂倾向小[2]。
冷却速度对铸件质量也有显著的影响。
冷却速度越大，枝晶间距越小，A356铝合金变质效果越好[3]。
冷却速度对针孔的形成也有影响[4~6]。
冷却速度越快形成的气孔较少，分布比较集中并呈规则的小圆形。
冷却速度慢时形成的气孔不仅数量多分布离散，而且大小形状各不相同[7]。
1 实验条件及方法选取公司正常生产的A356铝合金缸盖A和缸盖B，在火花塞孔（未预铸）中部选取三个点进行温度测量，具体测量点位置如图1、图2所示。
将热电偶固定在测量点后，在线测量凝固过程温度变化，做出凝固过程温度曲线图。
位置“上”为冒口，位置“中”为火花塞孔上部，位置“下”为火花塞孔下部。
图1 缸盖A温度测量点示意图图2 缸盖B温度测量点示意图2 实验结果缸盖A凝固过程温度曲线图如图3所示，缸盖B凝固过程温度曲线图如图4所示。
