II型鑄件溫度場模擬分析

劉艷明，于 靜，張安義

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

傳統的鑄造生產需要反復試驗,工藝周期較長,現在正由經驗走向科學理論指導[1]。本文采用有限元分析軟件ANSYS,對II型鑄件進行溫度場模擬,預測了凝固進程,縮短了工藝時間,加快了試制周期[2-3]。模擬的鑄件，見圖1,上下板長0.35 m,寬0.1 m,高0.06 m,中間兩板長0.06 m,寬0.1 m,高0.12 m。

圖1 鑄件模型

1 網格劃分及材料特性

網格大小的劃分直接影響數值模擬結果。網格劃分過小,雖然可以提高計算精度,但計算時間較長；網格劃分過大,可以加快計算時間,但計算精度不高。在數值模擬過程中要綜合考慮工作效率和計算精度兩方面的因素,確定合適的網格大小,本文網格類型選擇Thermal Solid,Tet 10node 87。網格大小設定為0.005 m,總網格數為100萬。網格劃分，見圖2。所用材料為ZL101,打開Conductivity for Material Number對話框,在KXX中輸入導熱系數為151，依次輸入密度2.81和比熱值0.961。

圖2 網格劃分

2 加載求解溫度場

選定分析類型為Transient即瞬態分析類型，打開自動時間步長，設置求解時間為1200s,并完成其他選項設置后,開始計算。通過ANSYS的通用后處理器讀出任一時刻鑄件溫度場的模擬結果。

通用后處理器查看溫度場命令:

General Post proc--PlotResults--Contour plot--Nodal solution。

打開Contour Nodal Solution Data對話框,選擇Nodal Solution--DOF Solution--temperature。

不同時刻在ANSYS坐標系Y=0的橫剖面和X=0.06 m縱剖溫度場分布，見圖3。

3 溫度場模擬結果分析

圖3是在凝固過程中不同時刻II型鑄件的溫度場分布圖。通過模擬發現鑄件中的外側部位最先凝固,溫度較低;在凝固過程中鑄件在T字中心交叉處溫度最高,是最后凝固的地方，此位置容易產生熱節,易于聚集熱量。

剖面圖顯示鑄件中心溫度最高,冷卻速度慢,表層冷卻速度最快。影響鑄件冷卻速度的因素有兩方面,一是外部條件,二是內部條件。外部條件如是否有冷卻系統,所處環境是否通風等；內部條件如鑄件壁厚、型腔復雜程度等,壁厚的部位散熱慢,溫度較高，而壁薄的部位溫度低一些。其次鑄件表面比鑄件內部散熱快,鑄件內部溫度要高于表層[4-5]。冷卻速度對鑄件的質量有重要影響,鑄件冷卻快的部位收縮也快,于是會受到壓應力；鑄件冷卻慢的部位收縮也慢,于是受到拉應力。在應力作用下,會導致鑄件產生變形、斷裂[6]。因此,在鑄件凝固過程中要調節鑄件內外的冷卻速度,設計時盡量讓鑄件壁厚均勻一些,在厚大部位設置冷鐵加快散熱速度,在最后凝固部位設置冒口,以此將凝固缺陷轉移到冒口當中,還可以合理設計澆注系統以及確定澆注速度等工藝因素,延緩內澆道的凝固時間,使得部分熱節轉移在澆道當中。

4 結論

(1)通過鑄件凝固模擬可預測出溫度場分布,從而確定各部位的凝固次序,找出熱量集中部位,為工藝設計提供參考。

(2)從剖面圖可以方便查看鑄件內部的溫度分布,使得原本抽象的溫度實現了可視化。

(3)ANSYS軟件在溫度場分析方面可以為工程實踐提供輔助設計,節省了大量的人力和時間。

[1]柳百成,荊濤.鑄造工程的模擬仿真與質量控制[M].北京:機械工業出版社,2001.

[2]程軍.計算機在鑄造中的應用[M].北京:機械工業出版社,1993.

[3]孫遜,安閣英.鑄件充型凝固過程數值模擬發展現狀[J].鑄造，2000(2):84-88.

[4]杜曉明,董秀琦.高爐銅冷卻壁凝固過程數值模擬[J].鑄造,2002,51(11):709-712.

[5]Muller A.Mathematical descciption of solidification cooling curves of pure metals[J].Materials Research,1998(1):29-38.

[6]K Kubo,R D Pehllke.Porosity Formation in Solidifying Casting[J].AFS Trans,1986,94:753-756.