機床支架鑄造凝固過程溫度場計算機軟件模擬研究

姜穎

(天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津，300350)

機床支架鑄造凝固過程溫度場計算機軟件模擬研究

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)對機床支架鑄造凝固過程溫度場進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，對鑄件凝固過程的溫度場進行分析，得到溫度隨時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,對預(yù)測縮孔,縮松等鑄造缺陷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析評價并通過控制凝固條件優(yōu)化鑄造工藝,減少工藝準備失誤率,縮短試制周期,降低試制成本有顯著的作用。

計算機分析軟件；機床支架；凝固過程；溫度場

1 CAD/CAE在鑄造工藝中的應(yīng)用

鑄造廣泛用于機械制造、現(xiàn)代各種機械設(shè)備在鑄造占相當(dāng)大的比例,由于鑄造過程是復(fù)雜的,有很多因素會影響鑄件的質(zhì)量,廢品率較高。鑄造工藝設(shè)計是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié),確保鑄件的質(zhì)量,特別是對于大型復(fù)雜的鑄件及鑄件的批量生產(chǎn),一旦過程錯誤會造成重大經(jīng)濟損失。利用CAD/CAE技術(shù)較真實的反映鑄造系統(tǒng)溫度的發(fā)展過程，有助于設(shè)計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)計者改進技術(shù)，提高生產(chǎn)質(zhì)量。CAD 運用計算機軟件制作并模擬實物設(shè)計，在工程、產(chǎn)品設(shè)計、大量工作中,如復(fù)雜的數(shù)學(xué)和力學(xué)計算,多種方案,分析和優(yōu)化,提出工程設(shè)計和生產(chǎn)管理的輸出信息等都可以由計算機完成。CAE是用計算機輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計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分析

溫度場分析是用于計算一個系統(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)定情況下的溫度場變化的直觀研究,它隨著瞬時時間的改變而推移,無關(guān)的情況的現(xiàn)場研究以及瞬態(tài)模式下溫度場的直接采樣,它是與時間的具體跳動的變化有著密切關(guān)系的。

在一般三維問題中，瞬態(tài)溫度場的場變量Θ(x,y,z,t)在直角坐標系中應(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，式中第一項是微體升溫需要的熱量。第2、3、4項是x、y、z方向傳入微體的熱量。到最終的一項是微體內(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)點的溫度不隨時間變化的方程為：

式中：

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

{T}為節(jié)點溫度向量；

{Q}為節(jié)點熱流率向量，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)生的明顯的隨時間的變化，一個具體系統(tǒng)在運行過程中的加熱或冷卻。使用能量守恒原理來進行表示和說明, 以離散數(shù)學(xué)矩陣形式對瞬態(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)點溫度向量；

{Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成；

為了說明變化的隨時間改變的載荷,第一必須載荷一段定時時間曲線可分為載荷相關(guān)操作。加載每一個轉(zhuǎn)折點負載溫度曲線的步驟。

3 通過計算機軟件對機床支架鑄造凝固過程進行數(shù)值模擬

CATIA軟件是屈指可數(shù)的三維設(shè)計軟件的市場領(lǐng)導(dǎo)者。UGNX三維設(shè)計軟件的高端產(chǎn)品,廣泛應(yīng)用于汽車及其配件、模具設(shè)計,其造型方便,靈活表面是強大的,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)計軟件,擁有強大的設(shè)計和處理功能,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)計軟件營銷,雖然軟件功能弱,屬于產(chǎn)品的三維設(shè)計軟件,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)。固體邊緣有很強的可用性,在機械設(shè)計中,表面建模、鈑金、塑料模具、焊接的一個獨特的特性,管道和電纜部隊,特別是金屬板可以被稱為最強大的。

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...,彈出對話框，彈出文件選擇對話框，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1（鑄件），采用智能網(wǎng)格劃分法，對鑄件劃分網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示；選擇材料特性編號2（砂型），對其模型劃分網(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)整體的溫度場在不同時間的云圖，圖描述的是熔融液澆注進砂型初始時鑄件與砂型內(nèi)部溫度場分布。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、淺藍色、藍色，并呈梯形云圖分布。

圖3 第1秒整體溫度場云圖

圖4 第36000秒整體溫度場云圖

圖5 、圖6是鑄件支架的溫度場在不同時間下的云圖。開始的時候鑄件的溫度是最高的達到1400℃，在100秒的時候局部溫度發(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肩部溫度較低。隨著時間的推移，藍色的部分越來越多，這些地方發(fā)生鑄造缺陷的概率就相對大一些。

預(yù)測鑄造過程中出現(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)，促進現(xiàn)代鑄造工藝的發(fā)展。鑄造溫度場數(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。這樣一個系統(tǒng)的分析,數(shù)字仿真軟件及其實現(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行驗證。

圖5 第1秒鑄件溫度場云圖

圖6 第36000秒鑄件溫度場云圖

4 結(jié)論

本文利用計算機分析軟件對鑄件機床支架在鑄造過程中的凝固動態(tài)過程進行了三維數(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),促進現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展。同時闡述了計算機輔助設(shè)計（CAD）與計算機輔助工程（CAE）在工程設(shè)計上的互補結(jié)合，采用CAD技術(shù)來建立CAE的三維幾何模型，可以彌補CAE軟件在繪制復(fù)雜幾何圖形的不足。而經(jīng)過CAE軟件對幾何模型進行數(shù)值模擬分析后再用CAD進行設(shè)計上的改進，二者互為補充。使用三維繪圖軟件繪制鑄件機床支架的三維幾何模型，對鑄件機床支架的澆鑄系統(tǒng)和砂箱進行建模，然后劃分網(wǎng)格，進行加載，計算鑄件機床支架凝固過程的溫度場，得出結(jié)果。

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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