汪俊

摘 要：為觀察鑄鋼件凝固時(shí)內(nèi)部的溫度分布情況，采用數(shù)學(xué)模擬的研究方法，，利用ANSYS軟件對(duì)鑄鋼件冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)熱分析模擬，得到冷卻時(shí)的溫度及溫度梯度分布。結(jié)果反映了鑄造系統(tǒng)溫度的變化過(guò)程，并對(duì)鑄件所產(chǎn)生的缺陷部位進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：T型鑄鋼件；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；ANSYS

鑄造過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地表達(dá)鑄件凝固冷卻的過(guò)程，從而預(yù)測(cè)和分析鑄件縮松、縮孔等缺陷。在眾多的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬軟件中，ANSYS是最為通用有效的有限元軟件之一。本文采用ANSYS軟件對(duì)鑄鋼件凝固過(guò)程瞬態(tài)溫度場(chǎng)建立有限元分析模型 ，并預(yù)測(cè)了縮松、縮孔等缺陷的發(fā)生。

1 溫度場(chǎng)數(shù)理模型的建立

本文研究所用T型鑄鋼件及其砂型的橫截面尺寸如圖1所示?？紤]結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，取鑄件和砂型模具橫截面的1/2為研究對(duì)象，從而節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高模擬的精度，使模擬的結(jié)果更接近實(shí)際值。

1.1 基本假設(shè)和處理

鑄件實(shí)際凝固過(guò)程非常復(fù)雜，各種復(fù)雜因素很難都考慮到，故對(duì)模擬過(guò)程做如下的假設(shè)和簡(jiǎn)化：

金屬液是瞬時(shí)充滿(mǎn)型腔，并忽略金屬液的對(duì)流傳熱；不考慮金屬液的過(guò)冷，凝固從液相線溫度開(kāi)始，固相線溫度結(jié)束；砂型模具在澆注過(guò)程溫度變化不大，假設(shè)其熱物性不隨溫度變化。

1.2 凝固傳熱過(guò)程中的熱傳導(dǎo)方程

鑄件凝固過(guò)程可以看成是一個(gè)不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程，其控制方程為：

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，p為鑄件密度，Cp比熱；Q為內(nèi)部熱源產(chǎn)生的熱量；T為溫度；t為時(shí)間，x，y，z為任意點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.3 邊界條件的確定

由假設(shè)知鑄件材料均勻，對(duì)稱(chēng)面的溫度分布均勻，且鑄型內(nèi)表面與鑄件表面溫度相同，傳熱過(guò)程取決于熱物理性質(zhì)。故鑄件與砂型、砂型與空氣間的熱交換為對(duì)流換熱。

1.4 熱物性參數(shù)處理

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得鑄到鋼件和砂型的熱物性參數(shù)。

2 溫度場(chǎng)模擬過(guò)程分析

2.1 設(shè)定初始條件、創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格劃分

在t=0時(shí)刻，鑄件的溫度為1550℃，鑄型的溫度為25℃，空氣的溫度為25℃，鑄型與空氣對(duì)流換熱系數(shù)為65W/（m·℃）。根據(jù)模型實(shí)體建立模型，為了更準(zhǔn)確地模擬鑄件內(nèi)部溫度的分布，鑄件和模具采用智能網(wǎng)格器劃分網(wǎng)格，劃分后的模型共包括234個(gè)單元，271個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2 加載和求解

根據(jù)按上述設(shè)定壓鑄件凝固過(guò)程的初始條件和邊界條件，施加溫度載荷。選定分析類(lèi)型為T(mén)ransient瞬態(tài)分析類(lèi)型，先進(jìn)行時(shí)間步長(zhǎng)0.01s的穩(wěn)態(tài)分析，得到的溫度場(chǎng)作為整個(gè)瞬態(tài)分析過(guò)程的初始溫度，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算終止時(shí)間為14400 s，時(shí)間步長(zhǎng)100 s。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

采用等值溫度彩云圖法描述鑄件以及各點(diǎn)的溫度場(chǎng)和溫度梯度。分析不同時(shí)間段鑄件及其模具各點(diǎn)溫度的分布，得出縮孔、氣孔等缺陷在凝固時(shí)易產(chǎn)生的部位，借助溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬技術(shù)，研究金屬液體凝固過(guò)程的機(jī)制及其凝固規(guī)律。

由圖2可知，澆鑄初期，溫度擴(kuò)散不明顯，其中芯部溫度最高，砂型溫度基本不變化；隨著凝固時(shí)間的推移，鑄件內(nèi)部到金屬型之間形成了明顯的呈梯度分布的溫度場(chǎng)，且鑄件表面溫度下降先于鑄件的心部，這是由于鑄件表面與砂型接觸導(dǎo)致表面溫度下降快，而心部由于熱傳導(dǎo)速度慢所以溫度下降慢。

4 研究整個(gè)凝固過(guò)程中不同位置溫度變化情況

比較鑄件F、D、G三點(diǎn)可知，前3000秒內(nèi)F點(diǎn)溫降緩慢，D、G點(diǎn)溫降快于F，G點(diǎn)溫降快于D點(diǎn)，之后它們的溫度下降曲線近似相同。因?yàn)镕點(diǎn)在對(duì)稱(chēng)面的熱傳導(dǎo)較緩慢，而G點(diǎn)與砂型直接進(jìn)行熱傳導(dǎo)，D點(diǎn)位于鑄件內(nèi)部，故較于G點(diǎn)慢；比較砂型內(nèi)A，B，C，E四點(diǎn)可知，前3000秒內(nèi)A點(diǎn)迅速升溫，遠(yuǎn)快于E，C兩點(diǎn)，之后溫度下降，E點(diǎn)溫度總高于C點(diǎn)。因?yàn)锳點(diǎn)在T型件拐角，與鑄件接觸，故溫度上升快，E，C兩點(diǎn)都在砂型表面，但E點(diǎn)距離鑄件較近，故整個(gè)過(guò)程中溫度比C高；從圖4中可看出各點(diǎn)溫度分布較復(fù)雜，鑄件內(nèi)部各點(diǎn)溫度分布趨勢(shì)相似， 砂型表面各點(diǎn)溫度分布趨勢(shì)相似，整體溫度隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸降低，這與客觀事實(shí)相符。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)T型鑄件凝固溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬， 得出鑄件及砂型的溫度變化情況， 與鑄件直接接觸的砂型部分溫度上升最快， 溫度梯度變化也最大。依據(jù)仿真模擬結(jié)果和溫度分布圖的分析，不難得出鑄造缺陷的位置，從而為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙建華，陳紅兵.淺談鑄造過(guò)程模擬仿真技術(shù)[J].大型鑄鍛件.2007（04）：11-14.

[2] 梁紅玉，馮文義，楊亞杰.鑄造充型紊流流場(chǎng)數(shù)值模擬研究[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào).2002（03）：177-180.

[3] 薛祥，周彼德，藺克亮.鑄鋁ZL101與樹(shù)脂砂型之間等效換熱系數(shù)的數(shù)值模擬[J].材料科學(xué)與工藝.2001（02）：206-210.

[4] 趙海東，孫鳳振.鑄造充型過(guò)程數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究的進(jìn)展[J].鑄造.2011（07）：641-647.

[5] 曹廣軍，陳立亮.基于FDM/FEM聯(lián)合的鑄件凝固過(guò)程熱應(yīng)力數(shù)值模擬的研究[J].鑄造技術(shù).2007（07）：987-990.

[6] 柳百成.鑄造技術(shù)與計(jì)算機(jī)模擬發(fā)展趨勢(shì)[J].鑄造技術(shù).2005（07）：611-617.

[7] 王君卿，S.F.Hansen，P.N.Hansen.鑄型充填過(guò)程模型化及流動(dòng)場(chǎng)數(shù)值模擬[J].鑄造.1987（12）：20-22.

[8] 趙健，張毅.鑄件凝固電子計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬發(fā)展概況[J].鑄造.1985（05）：1-6.

[9] 鄭賢淑，金俊澤.應(yīng)力框動(dòng)態(tài)應(yīng)力的熱彈塑性分析[J].大連工學(xué)院學(xué)報(bào).1983（03）：1-6.

[10] 郭可讱，金俊澤，高欽，等.大型鑄件凝固進(jìn)程的數(shù)字模擬[J].大連工學(xué)院學(xué)報(bào).1980（02）：1-17.

[11] 廖敦明，劉瑞祥，陳立亮，等.基于有限差分法的鑄件凝固過(guò)程熱應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的研究[J].鑄造.2003（06）：420-425.