二維凝固過(guò)程分析

二維凝固過(guò)程分析學(xué)科:

熱力學(xué)

分析類型:

非線性瞬態(tài)分析

使用的單元類型:

PLANE55

1問(wèn)題描述

這是一個(gè)鑄造過(guò)程的瞬態(tài)熱傳遞分析.其目的是跟蹤鋼鑄造過(guò)程中的溫度分布和凝固過(guò)程中鑄模的溫度分布,發(fā)生的這些將跨越3個(gè)小時(shí)的時(shí)段.鑄造過(guò)程是在4英寸壁厚L型沙型模中進(jìn)行.在沙型模和周圍空氣之間產(chǎn)生對(duì)流.2基本參數(shù)MaterialPropertiesforSandConductivity(KXX)傳導(dǎo)

0.025Btu/(hr-in-oF)Density(DENS)0.054lb/in3Specificheat(C)0.28Btu/(lb-oF)Conductivity(KXX)forSteelat0oF:1.44Btu/(hr-in-oF)at2643oF:1.54at2750oF:1.22at2875oF:1.22Enthalpy(ENTH)forSteelat0oF:0.0Btu/in3at2643oF:128.1at2750oF:163.8at2875oF:174.2InitialConditionsTemperatureofsteel:2875oF(1565℃)Temperatureofsand:80oFConvectionProperties對(duì)流Filmcoefficient:0.014Btu/(hr-in2-oF)Ambienttemperature80oF3方法和假設(shè)

將進(jìn)行單位厚度層的2-D分析.

采用一半對(duì)稱面以減小模型的尺寸.其下半部分用于建立模型.

鑄模材料（沙子）具有恒定材料特性.

澆鑄件（鋼）具有隨溫度變化的熱傳導(dǎo)率和熱焓;兩者都在與溫度－數(shù)值表中輸入.

熱焓性能表記錄當(dāng)金屬凝固時(shí)其儲(chǔ)存潛熱的能力.

輻射的影響忽略不計(jì).使用求解控制以建立幾個(gè)非線性選擇,包括自動(dòng)求解時(shí)間步.

自動(dòng)求解時(shí)間步確定使相變非線性收斂所必須的恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間步增量.

這意味著從熔融金屬到凝固狀態(tài)的瞬態(tài)將采用較小的時(shí)間步尺寸.4操作步驟

構(gòu)造幾何模型－BuildGeometry1.

Definekeypoints.

2.Createareasformoldandcasting.

定義材料－DefineMaterialsDefinematerialproperties.

Plotmaterialpropertiesvs.temperature.

生成網(wǎng)格－GenerateMeshSetpreferences.

Defineelementtypes.

Meshthemodel.

施加載荷－ApplyLoadsApplyconvectionloadsontheexposedboundarylines.

獲得求解－ObtainSolutionDefineanalysistype.

Examinesolutioncontrol.

Specifyinitialconditionsforthetransient.

12.Settime,timestepsize,andrelatedparameters.

13.Setoutputcontrols.

14.Solve.

查看結(jié)果－ReviewResultsEnterthetime-history

postprocessoranddefine

variables.

16.Plottemperaturevs.time.

17.Setuptoanimatetheresults.

18.Animatetheresults.

19.ExittheANSYSprogram

51.定義關(guān)鍵點(diǎn).利用本問(wèn)題的對(duì)稱性,僅對(duì)“L.”的一半建立模型。首先,通過(guò)定義梯形的四個(gè)角點(diǎn)，然后定義連接四個(gè)角點(diǎn)的面來(lái)建立表示模型的輪廓。1.MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

Keypoints

InActiveCS

2.Enter1forkeypointnumber

-?

3.Enter0,0,0forcoordinatelocations

-?

4.

Applytodefinekeypoint1(keypointwillbeat0,0,0)

-?

5.Enter2forkeypointnumber

-?

6.Enter22,0,0forcoordinatelocations

-?

7.

Applytodefinekeypoint2

-?

8.Enter3forkeypointnumber

-?

9.Enter

10,12,0forcoordinatelocations

-?

6（續(xù)）10.Applytodefinekeypoint3

-?

11.Enter4forkeypointnumber

-?

12.Enter0,12,0forcoordinate

locations

-?

13.

OK

-?14.UtilityMenu:PlotCtrls

WindowControls

WindowOptions

15.SetlocationoftriadtoNotshown

-?

16.OK

-?

72.

生成鑄模和凝固金屬的面現(xiàn)在通過(guò)連接四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)生成鑄模的面.1.MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Arbitrary

ThroughKPs2.Pickkeypoints1through4insequentialorder.

Youcanseethelinesformasyoupick.3.OKtocreatearea(inpickingmenu)4.Toolbar:

SAVE_DB

生成鑄坯的面，從第一個(gè)面中“扣除”。通過(guò)建立一個(gè)初始四邊形覆蓋面（布爾操作）然后刪除其上的多余面。8(續(xù))5.MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Create

-Areas-Rectangle

ByDimensions

6.Enter4and22forX-coordinates

-?

7.Enter4and8forY-coordinates

-?

8.OK

-?

9.UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering10.Turnonkeypointnumbers

-?

11.Turnonareanumbers

-?

12.OK

-?

13.UtilityMenu:

Plot

Areas

9（續(xù)）14.MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Operate

-Booleans-Overlap

Areas

15.PickAlltochoosebothareasforoverlapping

-?

16.MainMenu:

Preprocessor

-Modeling-Delete

AreaandBelow17.Pickarea3

18.OK(inpickingmenu)todeletearea3

19.Toolbar:

SAVE_DB103.DefineMaterials

將沙子鑄模的性能定義為材料號(hào)1.

這些不是溫度的函數(shù).1.MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-Constant-Isotropic

2.OKtodefinematerialnumber1

-?

3.Enter0.054forDENS

-?

4.Enter0.025forKXX

-?

5.Enter0.28forC

-?

6.OK

-?

11（續(xù)）澆鑄金屬定義為材料號(hào)2.

當(dāng)金屬?gòu)囊合嗬鋮s到固相時(shí)這些性能將明顯改變.

因而,它們以性能－溫度表形式輸入.7.MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-TempDependent-TempTable

8.Enter0forT1

-?

9.Enter2643forT2

-?

10.Enter2750forT3

-?

11.Enter2875forT4

-?

12.OK

-?

13.MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-TempDependent-PropTable

12（續(xù)）

首先定義與溫度相關(guān)的熱傳導(dǎo)系數(shù).14.ScrolldownandchooseThconductivity

-?

15.ChooseKXX

-?

16.Enter2forMaterialreferencenumber

-?

17.Enter1.44forC1

-?

18.Enter1.54forC2

-?

19.Enter1.22forC3

-?

20.Enter1.22forC4

-?

21.Apply

-?

然后,定義與時(shí)間溫度相關(guān)的熱焓.22.ChooseEnthalpy

-?

23.Enter2forMaterialreferencenumber

-?24.Enter0forC1

-?

25.Enter128.1forC2

-?

26.Enter163.8forC3

-?

27.Enter174.2forC4

-?

28.OK-?

134.

繪制材料性能－溫度曲線1.MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-TempDependent-Graph

2.ScrolldownandchooseTh

conductivity

-?

3.ChooseKXX

-?

4.Enter2forMaterialnumber

-?

5.OK

-?

145.

設(shè)置參數(shù)選擇6.MainMenu:

Preprocessor

MaterialProps

-TempDependent-Graph

7.ChooseEnthalpy

-?

8.Enter2forMaterialnumber

-?

9.OK

-?

10.Toolbar:

SAVE_DBGenerateMesh1.MainMenu:

Preferences

2.TurnonThermalfiltering

-?

3.OK

-?

156.

定義單元類型1.MainMenu:

Preprocessor

ElementType

Add/Edit/Delete2.AddanElementType

-?

3.ChooseThermalSolidfamilyofelements

-?

4.Choosethe4-nodedquad(PLANE55)

-?

5.OK

-?

6.Close

-?

7.Toolbar:

SAVE_DB16

7.

劃分模型網(wǎng)格

1.

UtilityMenu:

Plot

Areas

給定SmartSize為

4.

這將允許比缺省狀態(tài)更細(xì)微的網(wǎng)格細(xì)化，且對(duì)單元數(shù)仍將在

ANSYS/ED

程序限制的最大單元數(shù)之內(nèi).2.MainMenu:

Preprocessor

MeshTool3.TurnonSmartSizing

-?

4.Slidethesizecontrolbarto4

-?

5.ClickonMesh

-?

首先劃分鑄模面積.

注意缺省的材料特性號(hào)是

1故在劃分面積之前不必設(shè)置缺省號(hào).6.PickthemoldareaA5(Hint:

PlacethemousecursorontopoftheA5labelwhenyoupick--thisisthepicking"hotspot,"basedonthecentroidofthearea.)

7.OK(inthepickingmenu)

17（續(xù)）在劃分澆鑄金屬面積之前,設(shè)置鋼的材料屬性(材料2).8.ChooseGlobal,SetforElementAttributes

-?

9.SetMaterialnumberto2

-?

10.OK

-?

11.UtilityMenu:

Plot

Areas

12.ClickonMesh

-?

13.Pickarea4

14.OK(inpickingmenu)

15.ClosetheMeshTool

-?

16.UtilityMenu:

Plot

Elements

18（續(xù)）注意:

得到的網(wǎng)格可能與這里顯示的網(wǎng)格略有不同.

因此,在后處理中可看到略有不同的結(jié)果.

為驗(yàn)證單元有正確的材料號(hào),對(duì)不同的單元材料用不同的顏色進(jìn)行畫圖.17.UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering

18.ChangetoElementnumberingbyMaterialnumbers

-?

19.OK

-?

注意:

材料

1的單元形成沙子鑄模.

材料

2的單元形成鑄鋼.

可以畫出以不同的顏色顯示的不同材料而不必顯示相關(guān)的材料號(hào).20.UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering21.ChangetoNumberingshownwithcolorsonly

22.OK

-?

23.Toolbar:

SAVE_DB

198.

施加載荷施加對(duì)流系數(shù)到固體模型的線上.

加在固體模型實(shí)體上的載荷在求解過(guò)程中自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到有限元模型上.1.UtilityMenu:

Plot

Lines2.MainMenu:

Preprocessor

Loads

-Loads-Apply

-Thermal-Convection

OnLines3.Pickthethreelinesthatareexposedtoambientair4.OK(inthepickingmenu)5.Enter0.014forFilmcoefficient

-?

6.Enter80forBulktemperature

-?

7.OK

-?

8.Toolbar:

SAVE_DB209.

定義分析類型1.MainMenu:

Solution

-AnalysisType-

NewAnalysis

2.ChooseTransientforTypeofanalysis

-?

3.OK

-?

4.OKtoacceptthedefaultofaFulltransientanalysis

-?

2110.

檢查求解控制這個(gè)指南的方法和假設(shè)部分論及求解控制可用于幾種非線性選擇,可指導(dǎo)你進(jìn)入求解控制的在線幫助，故可詳細(xì)檢驗(yàn)該特性.你可以通過(guò)點(diǎn)擊非線性求解控制對(duì)話框中的幫助按鈕來(lái)進(jìn)入幫助主題.幫主主題然后替換網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中的這部分內(nèi)容.注意:如果你用瀏覽器的返回按鈕練習(xí)該問(wèn)題,則重新初始化

ANSYS指南,點(diǎn)擊指南目錄按鈕,點(diǎn)擊熱學(xué)指南,然后點(diǎn)擊第10步.檢查求解控制.在處理前可以紀(jì)錄下這些步驟，因?yàn)轱@示幫助主題時(shí)這些步驟并不出現(xiàn).1.MainMenu:

Solution

-LoadStepOpts-SolutionCtrl

2.Notethatsolutioncontrolisonbydefault

-?

3.ClickonHelptoreadthedetailsaboutsolutioncontrol

-?

4.Scrollthroughthehelptopicasneeded

-?

5.ClicktheBackbuttononthewebbrowsertoreturntothetutorial

-?

6.Canceltoremovethedialogbox

-?

22鑄模的初始環(huán)境溫度為80oF且熔鑄金屬為2875oF.

用選擇實(shí)體獲得正確的節(jié)點(diǎn)組，并在其上施加初始溫度.

首先選擇鑄件區(qū)域,然后選擇附于該區(qū)域的節(jié)點(diǎn)并對(duì)其施加初始熔化溫度.

下一步,反轉(zhuǎn)所選擇的節(jié)點(diǎn)組并對(duì)鑄模節(jié)點(diǎn)施加環(huán)境溫度.Startbyplottingareas.1.UtilityMenu:

Plot

Areas

2.UtilityMenu:

Select

Entities3.ChooseAreas

-?

4.Apply

-?

5.Pickarea4(thecasting)6.OK(inpickingmenu)7.ChooseNodes

-?

8.ChooseAttachedto

-?

9.SelectAreas,all

-?

10.Apply

-?

11.UtilityMenu:

Plot

Nodes11.

確定瞬態(tài)分析求解條件23（續(xù)）12.MainMenu:

Solution

-Loads-Apply

InitialCondit'n

Define

13.PickAlltouseallselectednodes

-?

14.ChooseTEMPforDOFtobespecified

-?

15.Enter2875forinitialvalueofDOF

-?

16.OK

-?

17.UtilityMenu:

Select

Entities18.Invert(Thisisanactioncommand;theselectedsetofnodesisimmediatelyinverted.)

-?

19.CanceltoclosetheSelectEntitiesdialogbox

-?

20.UtilityMenu:

Plot

Replot24（續(xù)）21.MainMenu:

Solution

-Loads-Apply

InitialCondit'n

Define

22.PickAlltouseallselectednodes

-?

23.Enter80forInitialValueofDOF

-?

24.OK

-?

記住當(dāng)完成選擇節(jié)點(diǎn)時(shí)經(jīng)常選擇

Everything!

25.UtilityMenu:

Select

Everything26.Toolbar:

SAVE_DB

2512.

設(shè)定時(shí)間，時(shí)間步及相關(guān)參數(shù)1.MainMenu:

Solution

-LoadStepOpts-Time/Frequenc

Time-TimeStep

2.Enter3(hours)forTimeatendofloadstep

-?

3.Enter0.01forinitialtimestepsize

-?

4.ChooseSteppedloading

-?

5.Enter0.001forMinimumtimestepsize

-?

6.Enter0.25forMaximumtimestepsize

-?

7.OK

-?

沿邊界條件模擬2875oF下的鑄溶金屬與環(huán)境溫度下鑄模的突然接觸.

程序?qū)⒏鶕?jù)系統(tǒng)中非線性的激烈程度選取自動(dòng)時(shí)間步以使時(shí)間步長(zhǎng)得到修正

(例如,當(dāng)經(jīng)過(guò)相變區(qū)時(shí)將采取較小的時(shí)間步).

最大和最小施加步長(zhǎng)表示對(duì)該自動(dòng)過(guò)程的限制.2613.

設(shè)置輸出控制1.MainMenu:

Solution

-LoadStepOpts-OutputCtrls

DB/ResultsFile2.SetfrequencytoEverysubstep

-?

3.OK

-?

4.Toolbar:

SAVE_DB2714.

求解1.MainMenu:

Solution

-Solve-CurrentLS

2.Reviewtheinformationinthestatuswindow,thenchoose

File

Close(Windows),orClose(X11/Motif),toclosethewindow

-?

3.OKtoinitiatethesolution

-?

4.Closetheinformationwindowwhensolutionisdone

-?

當(dāng)

ANSYS正進(jìn)行求解分析時(shí),圖示求解跟蹤監(jiān)控器

(GST)將作為“累積迭代次數(shù)”的函數(shù)繪制

“絕對(duì)收斂模量”.

注意求解假設(shè)為對(duì)小于或等于收斂準(zhǔn)則的值已經(jīng)收斂2815.

進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器及定義變量使用時(shí)間歷程后處理器查看在鑄件中某一點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

(在對(duì)稱面上).1.MainMenu:

TimeHistPostpro

2.UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering

3.TurnonNodenumbers

-?

4.Numberingshownwithcolorsandnumbers

-?

5.OK

-?

6.UtilityMenu:

Plot

Elements

29（續(xù)）在鑄件對(duì)稱面中心上的節(jié)點(diǎn)是人們感興趣的節(jié)點(diǎn).

用“getfunction”

定義其數(shù)值等于在重要位置(16,6,0)

的節(jié)點(diǎn)號(hào)的.

通過(guò)變量識(shí)別在中心點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn),theanalysiswillbemoreflexibleinthatthecenternodewillalwaysbeusedevenifthemesh,andthereforenodenumbers,change.7.UtilityMenu:

Parameters

ScalarParameters

8.Definethevariable:

"cntr_pt=node(16,6,0)"

-?

9.Accept

-?

注意中心的節(jié)點(diǎn)號(hào).

該節(jié)點(diǎn)號(hào)由于網(wǎng)格的差別可能變化.10.Close

-?

30（續(xù)）11.MainMenu:

TimeHistPostproc

DefineVariables12.Add

-?

13.OKfornodalDOFresults

-?

14.Pickcenterpointnode

15.OK(inthepickingmenu)

16.Entercenterforuser-specifiedlabel

-?

17.OK

-?

18.Close

-?

3116.

繪制時(shí)間－溫度曲線1.MainMenu:

TimeHistPostpro

GraphVariables

2.Enter2for1stvariabletograph

-?

3.OKtoplottheresultsatcntr_pointasafunctionoftime

-?

注意從該圖可得凝固區(qū)大約在

2643oF和

2750oF之間.

圖形可能有微小變化.3217.

建立動(dòng)畫顯示結(jié)果下一步,動(dòng)畫顯示熔化金屬的凝固.

為更好顯示凝固過(guò)程,制定三個(gè)等值線區(qū).

一個(gè)顯示熔融金屬

(T大于

2750oF),一個(gè)顯示已凝固金屬

(T小于

2643oF),第三個(gè)表示兩者間的所有區(qū)域.但是,為形成動(dòng)畫,必須進(jìn)入通用后處理器并讀取第一步的結(jié)果.

1.MainMenu:

GeneralPostproc

-ReadResults-FirstSet2.UtilityMenu:

PlotCtrls

Numbering

3.TurnoffNod