姜穎

(天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350)

機(jī)床支架鑄造凝固過程溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)軟件模擬研究

姜穎

(天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350)

采用CAD/CAE結(jié)合技術(shù)對(duì)機(jī)床支架鑄造凝固過程溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析是一種很好的選擇。根據(jù)材料特性隨溫度變化的特點(diǎn)，對(duì)鑄件凝固過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，得到溫度隨時(shí)間變化的分布云圖和溫度梯度分布云圖，讓鑄件的凝固過程可視化,對(duì)預(yù)測(cè)縮孔,縮松等鑄造缺陷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析評(píng)價(jià)并通過控制凝固條件優(yōu)化鑄造工藝,減少工藝準(zhǔn)備失誤率,縮短試制周期,降低試制成本有顯著的作用。

計(jì)算機(jī)分析軟件；機(jī)床支架；凝固過程；溫度場(chǎng)

1 CAD/CAE在鑄造工藝中的應(yīng)用

鑄造廣泛用于機(jī)械制造、現(xiàn)代各種機(jī)械設(shè)備在鑄造占相當(dāng)大的比例,由于鑄造過程是復(fù)雜的,有很多因素會(huì)影響鑄件的質(zhì)量,廢品率較高。鑄造工藝設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),確保鑄件的質(zhì)量,特別是對(duì)于大型復(fù)雜的鑄件及鑄件的批量生產(chǎn),一旦過程錯(cuò)誤會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失。利用CAD/CAE技術(shù)較真實(shí)的反映鑄造系統(tǒng)溫度的發(fā)展過程，有助于設(shè)計(jì)者確定鑄件容易并且可能出現(xiàn)缺陷的部位，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)者改進(jìn)技術(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。CAD 運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件制作并模擬實(shí)物設(shè)計(jì)，在工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、大量工作中,如復(fù)雜的數(shù)學(xué)和力學(xué)計(jì)算,多種方案,分析和優(yōu)化,提出工程設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理的輸出信息等都可以由計(jì)算機(jī)完成。CAE是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。

2 鑄造中凝固過程的溫度場(chǎng)分析

溫度場(chǎng)分析是用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件,溫度分布和其它熱物理參數(shù)如熱損益,熱梯度和熱流密度(熱通量),溫度場(chǎng)可以被稱為熱傳導(dǎo)的情況分析,基本上為兩種不同的具體情況來研究探討。穩(wěn)定情況下的溫度場(chǎng)變化的直觀研究,它隨著瞬時(shí)時(shí)間的改變而推移,無關(guān)的情況的現(xiàn)場(chǎng)研究以及瞬態(tài)模式下溫度場(chǎng)的直接采樣,它是與時(shí)間的具體跳動(dòng)的變化有著密切關(guān)系的。

在一般三維問題中，瞬態(tài)溫度場(chǎng)的場(chǎng)變量Θ(x,y,z,t)在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足的微分方程是：

式中ρ—材料密度；c—材料比熱；kx、ky、kz—材料沿x、y、z三個(gè)方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q=Q(x,y,z)—物體內(nèi)部的熱源密度。

此方程既是熱量平衡方程，式中第一項(xiàng)是微體升溫需要的熱量。第2、3、4項(xiàng)是x、y、z方向傳入微體的熱量。到最終的一項(xiàng)是微體內(nèi)熱源的熱量發(fā)生了效果。微分公式方程指出：微體升溫的過程所需的熱能量應(yīng)于傳入微體本身的熱能量，以及微體內(nèi)熱源產(chǎn)生熱能量相互平衡。

如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量：q流入+q生成-q流出=0，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱以矩陣形式表示分析的能量平衡，穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化的方程為：

式中：

[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；

{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；

{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成；

瞬態(tài)傳導(dǎo)熱能的過程是說明系統(tǒng)在運(yùn)行過程中熱流率、溫度、邊界條件以及系統(tǒng)將產(chǎn)生的明顯的隨時(shí)間的變化，一個(gè)具體系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的加熱或冷卻。使用能量守恒原理來進(jìn)行表示和說明, 以離散數(shù)學(xué)矩陣形式對(duì)瞬態(tài)熱平衡表示為：

式中：

[K]為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；

[C]為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；

{T}為節(jié)點(diǎn)溫度向量；

{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成；

為了說明變化的隨時(shí)間改變的載荷,第一必須載荷一段定時(shí)時(shí)間曲線可分為載荷相關(guān)操作。加載每一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)負(fù)載溫度曲線的步驟。

3 通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)機(jī)床支架鑄造凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬

CATIA軟件是屈指可數(shù)的三維設(shè)計(jì)軟件的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者。UGNX三維設(shè)計(jì)軟件的高端產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于汽車及其配件、模具設(shè)計(jì),其造型方便,靈活表面是強(qiáng)大的,尤其是NX凸輪特性可以毫不夸張地說,它應(yīng)該是目前行業(yè)最強(qiáng)大的和最受歡迎的。證明可以說是高端產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)軟件,擁有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和處理功能,用于家用電器、汽車零部件、模具行業(yè)。Solidworks是最好的三維設(shè)計(jì)軟件營銷,雖然軟件功能弱,屬于產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)軟件,但由于良好的營銷,和軟件本身是容易學(xué)習(xí),快速建模,已被廣泛應(yīng)用于中小企業(yè)。固體邊緣有很強(qiáng)的可用性,在機(jī)械設(shè)計(jì)中,表面建模、鈑金、塑料模具、焊接的一個(gè)獨(dú)特的特性,管道和電纜部隊(duì),特別是金屬板可以被稱為最強(qiáng)大的。

在保持類型欄選擇IGES格式，在文件名欄輸入文件名后單擊保存按鈕，得到IGES文件。

打開ANSYS軟件，單擊主菜單file——>import——>IGES...,彈出對(duì)話框，彈出文件選擇對(duì)話框，選擇到剛才保存的IGES文件后單擊打開按鈕，再單擊OK按鈕，開始導(dǎo)入。

在Main Menu->Preprocessor->Meshing->Mesh Tool…選擇材料特性編號(hào)1（鑄件），采用智能網(wǎng)格劃分法，對(duì)鑄件劃分網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示；選擇材料特性編號(hào)2（砂型），對(duì)其模型劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

圖1 鑄件的網(wǎng)格劃分

圖2 砂型的網(wǎng)格劃分

圖3 、圖4是澆注系統(tǒng)整體的溫度場(chǎng)在不同時(shí)間的云圖，圖描述的是熔融液澆注進(jìn)砂型初始時(shí)鑄件與砂型內(nèi)部溫度場(chǎng)分布。從圖中可以看出，由內(nèi)到外依次為紅色、橙色、黃色、淡黃色、青色、淺綠色、綠色、淺藍(lán)色、藍(lán)色，并呈梯形云圖分布。

圖3 第1秒整體溫度場(chǎng)云圖

圖4 第36000秒整體溫度場(chǎng)云圖

圖5 、圖6是鑄件支架的溫度場(chǎng)在不同時(shí)間下的云圖。開始的時(shí)候鑄件的溫度是最高的達(dá)到1400℃，在100秒的時(shí)候局部溫度發(fā)生了下降，但大部分還是1400℃，可以明顯的看到支架的左右兩個(gè)肩部溫度較低。隨著時(shí)間的推移，藍(lán)色的部分越來越多，這些地方發(fā)生鑄造缺陷的概率就相對(duì)大一些。

預(yù)測(cè)鑄造過程中出現(xiàn)缺陷的可能性，為優(yōu)化鑄造工藝提供科學(xué)的、直觀的指導(dǎo)，促進(jìn)現(xiàn)代鑄造工藝的發(fā)展。鑄造溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的,非線性的熱物理性質(zhì),金屬和鑄造凝固效應(yīng)之間的聯(lián)系等等。這樣一個(gè)系統(tǒng)的分析,數(shù)字仿真軟件及其實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜,分析的結(jié)果做出直觀的判斷是否正確,因此軟件系統(tǒng)的正確性和軟件使用的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 第1秒鑄件溫度場(chǎng)云圖

圖6 第36000秒鑄件溫度場(chǎng)云圖

4 結(jié)論

本文利用計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)鑄件機(jī)床支架在鑄造過程中的凝固動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。為了優(yōu)化鑄造工藝提供科學(xué)和直觀的指導(dǎo),促進(jìn)現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)闡述了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）在工程設(shè)計(jì)上的互補(bǔ)結(jié)合，采用CAD技術(shù)來建立CAE的三維幾何模型，可以彌補(bǔ)CAE軟件在繪制復(fù)雜幾何圖形的不足。而經(jīng)過CAE軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析后再用CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，二者互為補(bǔ)充。使用三維繪圖軟件繪制鑄件機(jī)床支架的三維幾何模型，對(duì)鑄件機(jī)床支架的澆鑄系統(tǒng)和砂箱進(jìn)行建模，然后劃分網(wǎng)格，進(jìn)行加載，計(jì)算鑄件機(jī)床支架凝固過程的溫度場(chǎng)，得出結(jié)果。

[1]【美】J.E.艾金.有限元的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社,1992.

[2]王國強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實(shí)踐[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[3]博嘉科技.ANSYS融會(huì)與貫通[M].北京：中國水利出版社,2002.

[4]楊秀萍,張波,王鵬林,等.工作臺(tái)鑄件溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及缺陷預(yù)測(cè)[J].鑄造,2004.53(10): 823-825.

[5]孫軍,經(jīng)樹棟.CAD與ANSYS的接口技術(shù)探討[J].化工設(shè)備與管道.2004(2).

[6]薛祥,周彼德,藺克亮.鑄鋁ZL101與樹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(2).

Simulation study on temperature field of solidification process for machine tool stand in computer software

Jiang Ying
（Tianjin Light Industry Vocational Technical College,Tianjin,300350）

Using CAD/CAE technology to machine bracket casting solidification temperature field finite element analysis is a very good choice.According to the characteristics of the material properties vary with temperature, the temperature field of casting solidification process were analyzed, and the map of tire temperature change over time and temperature gradient distribution contours of casting solidification process visualization, to predict the shrinkage cavity, shrinkage of casting defects such as provide the basic data, analysis and evaluation and through the control of solidification conditions to optimize the casting process, reduce the process to prepare turnovers, shorten the development cycle, reduce the manufacture cost a significant role.

Computer analysis software;Machine tool Stand;solidification process;temperature field